BRPI1012377B1 - COAL AND FUEL GAS GENERATION PROCESS, SYSTEM AND METHOD - Google Patents
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Abstract
processo de geração de carvão e gases combustíveis, sistema e método a presente invenção descreve um sistema para a produção de carvão vegetal, a partir de materiais lignocelulósicos. a presente invenção relata um método para obtenção e reforma de gases combustíveis para uso na geração de energia elétrica, a partir do controle do sistema de produção de ca\rvão vegetal. o método da invenção, ao contrário dos métodos convencionais, combina altas temperaturas, ambiente fechado e pressurizado, manutenção destas altas temperaturas para o craqueamento e recuperação dos gases e tempo médio entre 22 e 28 horas. este método implica em redução do rendimento, mas, por outro lado, resulta em um material bastante compactado e, portanto, mais adequado ao uso em alto-fornos siderúrgicos. a presente invenção descreve, também, um processo de produção de carvão vegetal. de acordo com a presente invenção, madeira e outros materiais lignocelulósicos são convertidos em carvão vegetal por pirólise e os gases oriundos das diversas fases do processo são misturados, reformados ou craqueados em ambiente pressurizado, saturado com carbono e vapor de água, sendo produzidos gases combustíveis não condensáveis. o processo de carbonização prposto na presente invenção consiste em uma operação contínua, efetuada em um sistema que agrega um conjunto de reatores horizontais, conectados por barriletes de fluxo de gases, controlados por válvulas, cujo funcionamento combina o monitoramento de temperatura e pressão. no processo da invenção, o fluxo de gases associado a temperatura e pressão, promove a manutenção das condições favoráveis ao tratamento térmico da matéria lignocelulósica, alcançando como resultado final, material carbonáceo de alta qualidade. o sistema da invenção é alimentado continuamente, sem necessidade de interrupção de seu funcionamento e produção. o arranjo do presente sistema confere ainda, possibilidade de submissão do material lognocelulósico a uma combinação de pressão e altas temperaturas através do fluxo de gasesCoal and Fuel Gas Generation Process, System and Method The present invention describes a system for the production of charcoal from lignocellulosic materials. The present invention relates a method for obtaining and reforming combustible gases for use in the generation of electric energy from the control of the charcoal production system. The method of the invention, unlike conventional methods, combines high temperatures, enclosed and pressurized environment, maintenance of these high temperatures for cracking and recovery of gases and average time between 22 and 28 hours. This method results in reduced yields but, on the other hand, results in a very compact material and is therefore better suited for use in steel blast furnaces. The present invention also describes a charcoal production process. According to the present invention, wood and other lignocellulosic materials are converted to charcoal by pyrolysis and the gases from the various process stages are mixed, reformed or cracked in a pressurized environment, saturated with carbon and water vapor, producing combustible gases. non condensable. The carbonization process proposed in the present invention consists of a continuous operation carried out in a system that aggregates a set of horizontal reactors, connected by valve-controlled gas flow barrels, whose operation combines temperature and pressure monitoring. In the process of the invention, the gas flow associated with temperature and pressure, promotes the maintenance of favorable conditions for the heat treatment of lignocellulosic matter, reaching as a final result, high quality carbonaceous material. The system of the invention is continuously fed without interruption of its operation and production. The arrangement of the present system also gives the possibility of subjecting the lognocellulosic material to a combination of pressure and high temperatures through the gas flow.
Description
(54) Título: PROCESSO DE GERAÇÃO DE CARVÃO E GASES COMBUSTÍVEIS, SISTEMA E MÉTODO (51) Int.CI.: C10B 53/02; C10B 51/00; C10B 31/06; C10B 21/10; C10B 21/08; C10B 21/20; C10B 21/16; C10B 27/02; C10B 31/08; C10B 33/10; C10B 39/02; C10B 47/16; C10B 47/36; C10B 57/02; C10B 57/08 (73) Titular(es): MARCOS CABRAL FLECHA (72) Inventor(es): MARCOS CABRAL FLECHA; ALDO SARMENTO SOBRINHO; ALFREDO FROES DOLABELA (85) Data do Início da Fase Nacional: 15/09/2010(54) Title: COAL AND COMBUSTIBLE GAS GENERATION PROCESS, SYSTEM AND METHOD (51) Int.CI .: C10B 53/02; C10B 51/00; C10B 06/31; C10B 21/10; C10B 21/08; C10B 21/20; C10B 21/16; C10B 2/27; C10B 31/08; C10B 33/10; C10B 39/02; C10B 47/16; C10B 47/36; C10B 57/02; C10B 57/08 (73) Holder (s): MARCOS CABRAL FLECHA (72) Inventor (s): MARCOS CABRAL FLECHA; ALDO SARMENTO SOBRINHO; ALFREDO FROES DOLABELA (85) National Phase Start Date: 9/15/2010
1/301/30
PROCESSO DE GERAÇÃO DE CARVÃO E GASES COMBUSTÍVEIS, SISTEMA E MÉTODOCOAL AND FUEL GAS GENERATION PROCESS, SYSTEM AND METHOD
CAMPO DE APLICAÇÃOAPPLICATION FIELD
A presente invenção descreve um sistema para a produção de 5 carvão vegetal para uso siderúrgico, a partir de materiais lignocelulósicos.The present invention describes a system for the production of charcoal for steel use, from lignocellulosic materials.
O método da invenção, ao contrário dos métodos convencionais, combina altas temperaturas, ambiente pressurizado e manutenção destas altas temperaturas para craqueamento e recuperação dos gases e tempo médio entre 22 e 28 horas. Este método resulta em um material bastante compactado e, portanto, mais adequado ao uso em alto-fornos siderúrgicos.The method of the invention, unlike conventional methods, combines high temperatures, a pressurized environment and maintenance of these high temperatures for cracking and gas recovery and an average time between 22 and 28 hours. This method results in a highly compacted material and is therefore more suitable for use in steel blast furnaces.
Por fim, o método da presente invenção dispensa o tratamento do material lignocelulósico a ser administrado no sistema da presente invenção.Finally, the method of the present invention dispenses with the treatment of the lignocellulosic material to be administered in the system of the present invention.
A presente invenção descreve, também, um processo de produção de gases combustíveis e carvão vegetal, tornando possível o uso tanto em pequenos altos fornos siderúrgicos, quanto em altos fornos siderúrgicos de usinas integradas a coque.The present invention also describes a process for the production of combustible gases and charcoal, making it possible to use it both in small steel blast furnaces and in steel blast furnaces of plants integrated with coke.
De acordo com o processo da presente invenção, madeira e outros materiais lignocelulósicos são convertidos em carvão vegetal por pirólise e os gases oriundos das diversas fases do processo são misturados, reformados ou craqueados em ambiente pressurizado, saturado com carbono e vapor de água, sendo produzidos gases combustíveis não condensáveis.According to the process of the present invention, wood and other lignocellulosic materials are converted into charcoal by pyrolysis and the gases from the various stages of the process are mixed, reformed or cracked in a pressurized environment, saturated with carbon and water vapor, being produced non-condensable combustible gases.
Petição 870180018338, de 07/03/2018, pág. 6/56Petition 870180018338, of 03/07/2018, p. 6/56
2/302/30
O processo de carbonização proposto na presente invenção consiste em uma operação semi-contínua, efetuada em um sistema que agrega um conjunto de reatores horizontais, conectados por barriletes contendo gases, controlados por válvulas, cujo funcionamento combina o monitoramento de temperatura e pressão. No processo da invenção, o fluxo de gases associado a temperatura e pressão, promove a manutenção das condições favoráveis ao tratamento térmico da matéria lignocelulósica, alcançando como resultado final, material carbonáceo de alta qualidade.The carbonization process proposed in the present invention consists of a semi-continuous operation, carried out in a system that aggregates a set of horizontal reactors, connected by barrels containing gases, controlled by valves, whose operation combines the monitoring of temperature and pressure. In the process of the invention, the gas flow associated with temperature and pressure, promotes the maintenance of favorable conditions for the thermal treatment of lignocellulosic material, reaching, as a final result, high quality carbonaceous material.
O sistema da invenção é alimentado por batelada, a cada hora de funcionamento, sem necessidade de interrupção de seu funcionamento e produção. O arranjo do presente sistema confere ainda, possibilidade de submissão do material lignocelulósico a uma combinação de pressão e altas temperaturas através de fluxos de gases sem perda das características como densidade e poder calorífico.The system of the invention is fed by batch, every hour of operation, without the need to interrupt its operation and production. The arrangement of the present system also provides the possibility of submitting the lignocellulosic material to a combination of pressure and high temperatures through gas flows without loss of characteristics such as density and calorific value.
Para melhor compreensão do presente invento alguns conceitos foram estipulados e deverão ser utilizados em sua concretização. Neste sentido, considera-se carvão vegetal o material obtido a partir da lenha pelo processo de carbonização ou pirólise. Tratamento térmico é a operação ou conjunto de operações realizadas no estado sólido que compreendem aquecimento, permanência em determinadas temperaturas e resfriamento, realizados com a finalidade de conferir ao material determinadas características.For a better understanding of the present invention, some concepts have been stipulated and should be used in its implementation. In this sense, charcoal is the material obtained from firewood by the process of carbonization or pyrolysis. Heat treatment is the operation or set of operations carried out in the solid state that includes heating, permanence at certain temperatures and cooling, performed with the purpose of giving the material certain characteristics.
Nesta invenção, este tratamento se dá pela carbonização, num processo em que a madeira é submetida a aquecimento em ambiente fechado, com pequena quantidade ou exclusão total de ar e durante o qual são liberados gases, vapores de água, permanecendo como resíduo o carvão vegetal. Para queIn this invention, this treatment takes place by carbonization, in a process in which the wood is subjected to heating in a closed environment, with a small amount or total exclusion of air and during which gases, water vapors are released, leaving the charcoal as a residue. . For what
Petição 870180018338, de 07/03/2018, pág. 7/56Petition 870180018338, of 03/07/2018, p. 7/56
3/30 o processo promovesse como resultado a obtenção de um material carbonáceo de alto poder calorífico, dureza e densidade necessárias para a aplicação tanto em pequenos alto fornos a carvão vegetal quanto em alto fornos a coque mineral, um sistema foi construído. Este sistema constitui um conjunto de elementos interconectados, de modo a formar um todo organizado.3/30 the process promoted as a result the obtaining of a carbonaceous material of high calorific power, hardness and density necessary for the application both in small blast furnaces with charcoal and in blast furnaces with mineral coke, a system was built. This system constitutes a set of interconnected elements, in order to form an organized whole.
No procedimento de obtenção deste material carbonáceo, a pirólise representa uma fase importante. Em sentido estrito, pirólise é a reação de análise ou decomposição que ocorre pela ação de altas temperaturas. Ocorre uma ruptura da estrutura molecular original de um determinado composto pela ação do calor em um ambiente com pouco ou nenhum oxigênio. Esta transformação permite a liberação de energia.In the procedure for obtaining this carbonaceous material, pyrolysis represents an important phase. Strictly speaking, pyrolysis is the reaction of analysis or decomposition that occurs by the action of high temperatures. There is a disruption of the original molecular structure of a given compound by the action of heat in an environment with little or no oxygen. This transformation allows the release of energy.
Como material de partida para transformação e obtenção de carvão vegetal de uso siderúrgico, esta invenção convencionou utilizar quaisquer materiais lignocelulósicos. Os materiais lignocelulósicos têm em sua composição basicamente celulose, hemicelulose e lignina, na proporção aproximada de 40 a 50%, 20 a 30% e 25 a 30% respectivamente, variando em função do tipo de material. Esses compostos formam uma estrutura complexa e compacta, cujas características também dependerão do tipo de material a ser processado (bagaço ou palha de cana e diferentes variedades de cana, entre outros). Este conceito inclui biomassas tais como madeira, côco de babaçu e outras biomassas de origem vegetal. Para a presente invenção, a denominação material carbonáceo está incluída no conceito de material lignocelulósico. 0 termo madeira é aqui empregado amplamente, para incluir materiais vegetaisAs a starting material for processing and obtaining charcoal for steel use, this invention has agreed to use any lignocellulosic materials. Lignocellulosic materials have in their composition basically cellulose, hemicellulose and lignin, in the approximate proportion of 40 to 50%, 20 to 30% and 25 to 30% respectively, varying according to the type of material. These compounds form a complex and compact structure, whose characteristics will also depend on the type of material to be processed (bagasse or straw and different varieties of cane, among others). This concept includes biomasses such as wood, babassu coconut and other biomasses of plant origin. For the present invention, the term carbonaceous material is included in the concept of lignocellulosic material. The term wood is used here widely to include plant materials
Petição 870180018338, de 07/03/2018, pág. 8/56Petition 870180018338, of 03/07/2018, p. 8/56
4/30 caracterizados por sua estrutura de fibras celulósicas. Neste sentido, o termo se estende para abranger materiais tais como casca de árvores, serragem, cascas de castanha e nozes, caroços de frutas, incluindo, ainda, materiais celulósicos processados.4/30 characterized by their cellulosic fiber structure. In this sense, the term extends to include materials such as tree bark, sawdust, chestnut bark and nuts, fruit stones, including, still, processed cellulosic materials.
Este material, após submetido aos processos e métodos descritos nesta invenção, e após processado pelo sistema também objeto desta invenção, permite a utilização dos gases condensáveis e gases não condensáveis e a transformação de gases não condensáveis em gases condensáveis por craqueamento.This material, after being subjected to the processes and methods described in this invention, and after being processed by the system also object of this invention, allows the use of condensable gases and non-condensable gases and the transformation of non-condensable gases into condensable gases by cracking.
O método para produção de H2 derivado de hidrocarbonetos será tratado nesta invenção como reforma de vapor ou reforma de gases ou ainda, como oxidação catalítica.The method for producing H2 derived from hydrocarbons will be treated in this invention as steam reform or gas reform or even as catalytic oxidation.
ESTADO DA ARTESTATE OF ART
A carbonização ou carvoejamento de materiais lignocelulósicos consiste na eliminação das matérias voláteis por ação térmica. O produto resultante deste processo é uma massa carbonosa associada a um complexo de óxidos.The carbonization or charcoal of lignocellulosic materials consists of the elimination of volatile materials by thermal action. The product resulting from this process is a carbonaceous mass associated with an oxide complex.
No Brasil este processo é realizado em fornos rudimentares e não permitem recuperação dos gases voláteis liberados durante a reação. Isto implica, ainda, na obtenção de um material pobre em poder calorífico e resistência, adequado apenas para pequenos altos fornos.In Brazil, this process is carried out in rudimentary furnaces and does not allow the recovery of volatile gases released during the reaction. This also implies obtaining a material low in calorific value and resistance, suitable only for small blast furnaces.
Com o aperfeiçoamento dos fornos de produção de carvão, alguns novos processos com melhor controle sobre a operação foram introduzidos. Dentre estes se destacam as retortas e os fornos cilíndricos verticais.With the improvement of the coal production furnaces, some new processes with better control over the operation were introduced. Among these, the racks and vertical cylindrical ovens stand out.
Petição 870180018338, de 07/03/2018, pág. 9/56Petition 870180018338, of 03/07/2018, p. 9/56
5/305/30
As patentes abaixo relacionadas formam um conjunto exemplificativo do conhecimento existente publicado e desenvolvido.The patents listed below form an exemplary set of existing published and developed knowledge.
Em PI8301847-6, um processo de carbonização contínua de 5 materiais lignocelulósicos em forno vertical que permite obter carvão vegetal de alta qualidade e com melhor eficiência é revelado. Neste invento ocorre a carbonização contínua de materiais lignocelulósicos em forno vertical com injeção dosada de produtos de combustão de parte das matérias voláteis não condensadas que permite além de controle e comando operacionais satisfatórios, auferir elevada recuperação das matérias voláteis, com rendimento e qualidade constantes do carvão, dos condensados e de gases combustíveis não condensados.In PI8301847-6, a continuous carbonization process of 5 lignocellulosic materials in a vertical oven that reveals high quality charcoal with better efficiency is revealed. In this invention, the continuous carbonization of lignocellulosic materials takes place in a vertical oven with metered injection of combustion products of part of the non-condensed volatile materials, which allows, in addition to satisfactory operational control and control, to obtain a high recovery of the volatile materials, with constant yield and quality of the coal. , condensates and non-condensing combustible gases.
Em PI0702047-3, por sua vez, um processo de retenção de vapores e gases condensáveis gerados durante a queima ou pirólise da biomassa é descrito. Nesta patente de invenção o processo de retenção de vapores e gases condensáveis gerados durante a queima ou pirólise da biomassa, ocorre através de um sistema de condensação da fumaça. O processo se aplica a fumaça que é gerada em processos de queima ou pirólise da biomassa, que é bombeada por meio de dutos para um condensador (trocador de calor). Este trocador força a passagem da fumaça e em sua parte externa há um fluxo de água com uma vazão alta para aumentar a eficiência de troca de calor, uma vez que a fumaça entra no condensador com temperatura elevada (t> 200°c).In PI0702047-3, in turn, a process for retaining condensable vapors and gases generated during the burning or pyrolysis of biomass is described. In this invention patent the process of retaining condensable vapors and gases generated during the burning or pyrolysis of biomass, occurs through a smoke condensation system. The process applies to smoke that is generated in processes of burning or pyrolysis of biomass, which is pumped through ducts to a condenser (heat exchanger). This exchanger forces the smoke to pass and on the outside there is a flow of water with a high flow to increase the heat exchange efficiency, since the smoke enters the condenser with a high temperature (t> 200 ° c).
O documento US 5,449,438 descreve um equipamento e método para pirólise de resíduos de matéria orgânica compactada. O material orgânico de partida para o processo pirolítico inclui borracha de pneu, processada por decomposição em umUS 5,449,438 describes an equipment and method for pyrolysis of compacted organic matter waste. The starting organic material for the pyrolytic process includes tire rubber, processed by decomposition in a
Petição 870180018338, de 07/03/2018, pág. 10/56Petition 870180018338, of 03/07/2018, p. 10/56
6/30 banho com temperaturas entre 450 C e 550 C, em uma mistura de constituintes voláteis e sólidos, coletando parte destes gases para posterior utilização.6/30 bath with temperatures between 450 C and 550 C, in a mixture of volatile and solid constituents, collecting part of these gases for later use.
O documento US 4,472,245 descreve um processo de tratamento 5 térmico contínuo de material carbonizável. Estes materiais se tornam carbonizáveis em altas temperaturas. Estes materiais incluem madeira, celulose, resíduos domésticos, pneus usados, plásticos, óleo, entre outros. Estes materiais são submetidos a tratamento térmico em uma fornalha elétrica que contém eletrodos na superfície do teto. O material é inserido na fornalha até o limite e continuamente movido lentamente para que o calor seja transferido a outras partes da fornalha. Este procedimento torna o material carbonizável altamente condutivo temporariamente enquanto mantém contato com os eletrodos instalados no teto da fornalha. Nestes eletrodos passa corrente elétrica que é conduzida através do material.US 4,472,245 describes a continuous heat treatment process of carbonizable material. These materials become charred at high temperatures. These materials include wood, cellulose, household waste, used tires, plastics, oil, among others. These materials are subjected to heat treatment in an electric furnace that contains electrodes on the ceiling surface. The material is inserted into the furnace to the limit and continuously moved slowly so that the heat is transferred to other parts of the furnace. This procedure makes the charred material highly conductive temporarily while maintaining contact with the electrodes installed on the furnace roof. In these electrodes, electric current passes through the material.
O documento US 6,623,602 descreve um método para obter produtos voláteis e não voláteis. O método de obtenção compreende submeter a pirólise material polimérico em um reator com atmosfera deficiente em oxigênio. O material polimérico é simultaneamente comprimido e aquecido a temperatura suficiente para pirólise do material polimérico e, desta forma, produzir resíduos não voláteis e produtos voláteis.US 6,623,602 describes a method for obtaining volatile and non-volatile products. The method of obtaining comprises pyrolysis polymeric material in a reactor with an oxygen-deficient atmosphere. The polymeric material is simultaneously compressed and heated to a temperature sufficient for pyrolysis of the polymeric material and, thus, producing non-volatile residues and volatile products.
A patente US 4,274,941 relata um processo para gerar gases combustíveis, carvão liquido e vapor superaquecido. Os grãos de carvão são colocados em uma câmara horizontal com material sólido para troca de calor. O carvão então é submetido a um ambiente com baixos índices de nitrogênio e oxigênio para obtenção dos subprodutos líquidos. NumaUS patent 4,274,941 reports a process for generating combustible gases, liquid coal and superheated steam. The coal grains are placed in a horizontal chamber with solid material for heat exchange. The coal is then subjected to an environment with low levels of nitrogen and oxygen to obtain liquid by-products. In
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7/30 segunda câmara o material é submetido a fluidificação com ar e queima. O vapor gerado é filtrado.7/30 second chamber the material is subjected to fluidization with air and firing. The generated steam is filtered.
Em PI0705610-9, é um equipamento que se apresenta como solução para utilização na redução de emissão de particulados, gases e vapores na produção de carvão vegetal, minimizando o impacto ambiental como o efeito estufa e chuva ácida. Este sistema produz carvão com alto teor de carbono fixo e alto rendimento na produção do licor pirolenhoso.In PI0705610-9, it is an equipment that presents itself as a solution for use in reducing the emission of particulates, gases and vapors in the production of charcoal, minimizing the environmental impact such as the greenhouse effect and acid rain. This system produces coal with a high fixed carbon content and high yield in the production of pyroligneous liquor.
Em PI0503842-1 é descrito um processo que consiste, primeiramente, da colheita e arraste da madeira, a qual é, após o corte em toletes, estocada para haver a sua secagem natural, sendo que, depois de seca é transportada por meio de uma monovia motivo de pedido de patente - até o forno, onde então é colocada manualmente no interior de retortas cilíndricos de aço - montadas sobre trilhos, nos quais as citadas retortas rolam para o interior do citado forno, quando se tem o início do processo propriamente dito, a fim se obter o carvão e os fumos resultantes de sua carbonização, que acontece devido ao calor gerado na fornalha existente no referido forno de alvenaria refratária - motivo de outro pedido de patente -, fumos esses processados quimicamente. Após a carbonização da madeira, agora transformada em carvão, as retortas, juntamente com o carvão contido no seu interior, são mergulhados num tanque com tinta refratária que adere ao corpo das ditas retortas, formando uma proteção e promovendo o seu esfriamento e do carvão ao mesmo tempo. Todo o carvão oriundo da mencionada carbonização é estocado em silo. Encerra-se o ciclo operacional desse processo, quando a temperatura atinge um determinado grau dePI0503842-1 describes a process that consists, firstly, of harvesting and dragging the wood, which is, after being cut into sheets, stored for natural drying, and after drying it is transported by means of a monorail reason for patent application - up to the oven, where it is then manually placed inside cylindrical steel retorts - mounted on rails, in which the aforementioned retorts roll into the aforementioned oven, when the process itself begins , in order to obtain the coal and the fumes resulting from its carbonization, which happens due to the heat generated in the furnace existing in the refractory masonry furnace - reason for another patent application -, these fumes processed chemically. After the carbonization of the wood, now transformed into coal, the retorts, together with the coal contained inside, are immersed in a tank with refractory paint that adheres to the body of the retorts, forming a protection and promoting its cooling and the coal to the Same time. All coal from the mentioned carbonization is stored in a silo. The operational cycle of this process ends, when the temperature reaches a certain degree of
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8/30 aquecimento, obedecendo-se as características da madeira processada como espessura e sua espécie. As portas do citado forno abrem-se simultaneamente, permitindo a entrada da madeira a ser carbonizada e a saída do carvão resultante dessa carbonização, sempre com o auxílio das mencionadas retortas. A destilação dos fumos efetuada dentro desse processo de carvoejamento é precedida pela condensação do alcatrão vegetal, o que acontece numa torre de enchimento, cooperado com o uso de catalisadores e filtros eletrostáticos de uso comum. Os gases não condensados nesse processo são queimados na fornalha do referido forno, enquanto que o ácido pirolenhoso resultante é encaminhado para a primeira separação que acontece em torres de pratos construídos em madeira, sendo que dessa separação obtém-se o metanol e a miscela resultante é conduzida para ser diluída em solvente adequado e encaminhado a uma torre de pratos para a recuperação do solvente. O ácido acético obtido segue para o seu refino e purificação numa torre de pratos. O metanol e o ácido acético são posteriormente armazenados para sua comercialização.8/30 heating, obeying the characteristics of the processed wood such as thickness and its species. The doors of the aforementioned oven open simultaneously, allowing the wood to be charred and the coal resulting from this carbonization to enter, always with the aid of the mentioned retorts. The smoke distillation carried out within this charcoal process is preceded by the condensation of vegetable tar, which occurs in a filling tower, cooperating with the use of catalysts and electrostatic filters in common use. The non-condensed gases in this process are burned in the furnace of the aforementioned furnace, while the resulting pyroligneous acid is sent to the first separation that takes place in towers made of wooden dishes, from which separation is obtained the methanol and the resulting miscella is conducted to be diluted in a suitable solvent and sent to a dish tower for solvent recovery. The acetic acid obtained goes on to be refined and purified in a dish tower. Methanol and acetic acid are subsequently stored for sale.
A patente PI9509631-0 introduz um processo para a produção de coque a partir de carvões. Na invenção, coque é continuamente produzido por aquecimento de uma carga em movimento de carvão dentro da seção transversal anular definida por dois tubos concêntricos. A câmara de coqueificação que inclui um tubo de grande diâmetro e um tubo de menor diâmetro concêntrico é alimentada a força com carvão, tal como carvão metalúrgico. O carvão é bidirecionalmente aquecido ao longo de um gradiente de temperatura controlada entre a parede interna do tubo de pequeno diâmetro e a parede externa do tubo de grandePatent PI9509631-0 introduces a process for the production of coke from coals. In the invention, coke is continuously produced by heating a moving charge of coal within the annular cross section defined by two concentric tubes. The coking chamber, which includes a large diameter tube and a smaller concentric diameter tube, is forcibly fed with coal, such as metallurgical coal. The coal is bidirectionally heated along a temperature-controlled gradient between the inner wall of the small diameter tube and the outer wall of the large tube
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9/30 diâmetro. O carvão é transformado em coque à medida que corre longitudinalmente ao longo do eixo de ambos os tubos. Coque é descarregado da câmara na extremidade oposta à qual foi carregado e é esfriado antes de ser exposto à atmosfera. Os gases gerados durante o processo decoqueificação são recolhidos e tratados. Todas estas operações são realizadas em um sistema fechado para impedir poluição.9/30 diameter. The coal is transformed into coke as it runs longitudinally along the axis of both tubes. Coke is discharged from the chamber at the opposite end to which it was loaded and is cooled before being exposed to the atmosphere. The gases generated during the decoking process are collected and treated. All of these operations are carried out in a closed system to prevent pollution.
O documento PI0210706-6 apresenta um processo com baixa 10 introdução de energia para a conversão pirolítica de biomassa a carvão vegetal ou a carvão vegetal carbonizado.PI0210706-6 discloses a process with low energy introduction for the pyrolytic conversion of biomass to charcoal or carbonized charcoal.
A biomassa é selada em um recipiente, pressurizada e aquecida até se inflamar por meio de aquecedores de barra. O controle da pressão pela introdução de ar e pela liberação dos gases para a manutenção de níveis de pressão sucessivamente mais baixos resulta em um tempo típico para a conversão menor que 30 minutos.The biomass is sealed in a container, pressurized and heated until it ignites by means of bar heaters. Pressure control by introducing air and releasing gases to maintain successively lower pressure levels results in a typical conversion time of less than 30 minutes.
A invenção contida no documento PI0207428-1 apresenta um método e aparelho para diminuir as vazões de gás em um sistema de um único gás de combustão para um forno de coque durante pelo menos uma operação de coqueificação inicial depois de um forno de coque ter sido carregado com carvão. O método inclui o emprego de um sistema de dutos entre um primeiro forno de coque que tem uma primeira câmara de coqueificação e um segundo forno de coque que tem uma segunda câmara de coqueificação para dirigir pelo menos uma porção de gás de um espaço de gás na primeira câmara de coqueificação para o segundo forno de coque, reduzindo desse modo uma vazão de gás no primeiro sistema de um único gás de combustão do primeiro forno de coque. A redução nas vazões de um único gás de combustão tem um efeito benéficoThe invention contained in document PI0207428-1 presents a method and apparatus for decreasing gas flow rates in a single flue gas system for a coke oven during at least one initial coking operation after a coke oven has been loaded. with coal. The method includes employing a duct system between a first coke oven that has a first coking chamber and a second coke oven that has a second coking chamber to direct at least a portion of gas from a gas space in the first coking chamber for the second coke oven, thereby reducing a gas flow in the first flue gas system of the first coke oven. The reduction in flow rates of a single flue gas has a beneficial effect
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10/30 no rendimento do produto, na vida útil do forno de coque e no controle ambiental de emissões de materiais voláteis dos fornos de coque.10/30 in product yield, coke oven life and environmental control of volatile material emissions from coke ovens.
SUMÁRIO DA INVENÇÃOSUMMARY OF THE INVENTION
O componente central da presente invenção é a valorização do resíduo gasoso produzido durante a carbonização, pela recuperação da energia (2,6x106 kgcal/tonelada de madeira seca) não utilizada no processo.The central component of the present invention is the valorization of the gaseous waste produced during carbonization, by recovering the energy (2.6x10 6 kgcal / ton of dry wood) not used in the process.
Outra característica da presente invenção e de alta relevância compreende o método de obtenção de material carbonáceo de alto poder calorífico. Este resultado é devido às temperaturas empregadas no processo e o uso de pressão na carbonização, que abre a possibilidade da utilização deste carvão vegetal em altos fornos substituindo coque mineral, devido à elevada resistência mecânica a compressão alcançada pelo produto final, da ordem de aproximadamente, 60 kg/cm2.Another characteristic of the present invention and of high relevance comprises the method of obtaining carbonaceous material of high calorific value. This result is due to the temperatures used in the process and the use of pressure in carbonization, which opens the possibility of using this charcoal in blast furnaces replacing mineral coke, due to the high mechanical resistance to compression achieved by the final product, in the order of approximately, 60 kg / cm2.
O emprego deste método é devido ao sistema, objeto desta invenção. Dito sistema compreende um conjunto de reatores cilíndricos horizontais, revestidos com material barriletes metálicos também refratário, revestidos ligados a com material refratário, cujas funções de e secagem, direcionamento de gases para aquecimento resfriamento e reforma e craqueamento de gases é controlada por válvulas instaladas nos barriletes.The use of this method is due to the system, object of this invention. Said system comprises a set of horizontal cylindrical reactors, coated with metal material also refractory, coated connected to with refractory material, whose functions of and drying, directing gases for heating, cooling and reforming and cracking of gases is controlled by valves installed in the barrels. .
Assim, é objeto da presente invenção, apresentar um processo econômico para a conversão de madeira ou materiais lignocelulósicos, preferencialmente granulados, em coque de carvão vegetal a temperaturas finais de carbonização entre 950°C e 1.200°C, por um período estimado entre 22-28 horas, variando em função das condições de entrada (umidade eThus, it is the object of the present invention to present an economical process for converting wood or lignocellulosic materials, preferably granulated, into charcoal coke at final carbonization temperatures between 950 ° C and 1,200 ° C, for an estimated period between 22- 28 hours, varying according to the conditions of entry (humidity and
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11/30 temperatura) da madeira utilizada para a produção do carvão.11/30 temperature) of the wood used for charcoal production.
No processo da presente invenção, os barriletes possuem funções distintas em função das fases sob as quais está submetido o material a ser convertido. Para as fases de aquecimento e secagem do material enfornado, os barriletes promovem o direcionamento dos gases como fluido térmico para transmissão de calor. Para manutenção da temperatura do sistema e geração de gases não condensáveis, na fase de reforma e craqueamento, os barriletes promovem o direcionamento dos gases para os reatores em fase final de produção de carvão. Em outra fase, os barriletes promovem o direcionamento dos gases como fluido térmico para o resfriamento do material enfornado.In the process of the present invention, kegs have different functions depending on the phases to which the material to be converted is subjected. For the heating and drying phases of the material being hung, the kegs direct the gases as a thermal fluid for heat transmission. In order to maintain the system temperature and generate non-condensable gases, in the reform and cracking phase, the kegs direct the gases to the reactors in the final phase of coal production. In another phase, the barrels promote the direction of the gases as a thermal fluid for the cooling of the hanged material.
É também objeto da presente invenção um método para obtenção de carvão vegetal de uso siderúrgico, a partir de um ambiente fechado e interconectado, com pressão controlada. Este método consiste em submeter o material lignocelulósico a temperaturas crescentes, com variações entre 50° C e 1200° C, sob pressão controlada.It is also the object of the present invention a method for obtaining charcoal for steel use, from a closed and interconnected environment, with controlled pressure. This method consists of subjecting the lignocellulosic material to increasing temperatures, with variations between 50 ° C and 1200 ° C, under controlled pressure.
O método da presente invenção permite, a partir de um sistema fechado com conexões para troca e reforma de gases, sob o uso controlado de pressão, com intervalos em -2 bar e pressão máxima (Pmax) de 10 bar, obter material carbonáceo com rendimento gravimétrico de 26% em base seca, com teor de carbono fixo da ordem de 90% e rendimento gravimétrico em carbono fixo da ordem de 22,5%.The method of the present invention allows, from a closed system with connections for gas exchange and reform, under the controlled use of pressure, with intervals at -2 bar and maximum pressure (Pmax) of 10 bar, to obtain carbonaceous material with efficiency gravimetric of 26% on a dry basis, with fixed carbon content of around 90% and gravimetric yield on fixed carbon of around 22.5%.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃODETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A presente invenção prevê um processo para a pirolítica, sob pressão, de madeira ou lignocelulósicos granulados em carvão. Tais conversão materiais materiaisThe present invention provides a process for the pyrolytic, under pressure, of wood or lignocellulosic granulated on charcoal. Such material material conversion
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12/30 poderão ser usados sem pré-tratamentos outros que não sejam sua transformação em cavacos com granulometria entre 20mm e 150mm.12/30 may be used without pre-treatments other than its transformation into chips with a particle size between 20mm and 150mm.
Para a presente invenção, o ambiente de pressão máxima 5 (Pmax) equivale a 10 bar. O processo da presente invenção contempla, ainda, fases de pressão negativa.For the present invention, the maximum pressure environment 5 (Pmax) is equivalent to 10 bar. The process of the present invention also contemplates negative pressure phases.
O processo descrito na presente invenção requer o controle de umidade dos materiais, de forma a mantê-la constante, uma vez que a umidade dos materiais determinará o tempo total de processamento.The process described in the present invention requires controlling the humidity of the materials, in order to keep it constant, since the humidity of the materials will determine the total processing time.
O tempo de processamento total está estimado entre 22 a 28 horas, variando em função do teor de umidade dos materiais, das taxas de aquecimento e das taxas de resfriamento. O resfriamento será feito dentro do reator, com recuperação da energia em forma de calor.The total processing time is estimated between 22 to 28 hours, varying depending on the moisture content of the materials, the heating rates and the cooling rates. The cooling will be done inside the reactor, with energy recovery in the form of heat.
No processo da presente invenção, o número de reatores é proporcional ao numero de horas do tempo total de processamento, ou seja, de 22 a 28 reatores.In the process of the present invention, the number of reactors is proportional to the number of hours of the total processing time, that is, from 22 to 28 reactors.
Em uma perspectiva mais detalhada o processo da presente invenção pode ser descrito da seguinte forma:In a more detailed perspective the process of the present invention can be described as follows:
O material, madeira em cavacos, é introduzido nos reatores através da utilização de caçambas metálicas cilíndricas, horizontais. As caçambas metálicas são apoiadas no piso do reator, dele ficando afastadas por calços metálicos para permitir a circulação dos gases e a troca de calor.The material, wood in chips, is introduced into the reactors through the use of horizontal, cylindrical metal buckets. The metal buckets are supported on the floor of the reactor, being separated from it by metal chocks to allow the circulation of gases and the exchange of heat.
A fase de secagem e aquecimento do material, fase endotérmica, será feita pela circulação no reator de gases quentes produzidos na fase de carbonização. O fluxo dos gases quentes através do reator será controlado por válvulas instaladas nos barriletes e será função da umidadeThe drying and heating phase of the material, endothermic phase, will be done by circulating the hot gases produced in the carbonization phase in the reactor. The flow of hot gases through the reactor will be controlled by valves installed in the barrels and will be a function of humidity
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13/30 do material e das taxas desejadas de aquecimento, podendo variar de acordo com a qualidade do material enfornado.13/30 of the material and the desired rates of heating, which may vary according to the quality of the material hung.
A fase de carbonização, exotérmica, por sua vez também poderá ser controlada, através da variação da taxa de aquecimento do material enfornado, pelo controle da vazão da injeção de oxigênio no reator. O oxigênio para o controle das taxas de aquecimento nesta fase poderá ser fornecido por ar atmosférico ou por meio de qualquer processo de produção ou concentração de oxigênio que venha a ser utilizado.The carbonization phase, exothermic, in turn, can also be controlled, by varying the rate of heating of the hanged material, by controlling the flow of oxygen injection in the reactor. Oxygen for the control of heating rates in this phase may be supplied by atmospheric air or by any production process or concentration of oxygen that may be used.
A produção de gases combustíveis se dá mediante tratamento de todos os gases gerados no processo de conversão do material lignocelulósico. Nesta fase, os barriletes promovem o direcionamento dos gases para mistura e reforma ou craqueamento no interior dos próprios reatores de pirólise. O carvão já formado, submetido a temperaturas entre 1.200°C e 900°C, em ambiente com pressão P2 (ver fig. 7), o que propiciará a ocorrência de reações endotérmicas, conforme o esquema seguinte:The production of combustible gases occurs through the treatment of all gases generated in the process of converting lignocellulosic material. In this phase, the kegs direct the gases for mixing and reforming or cracking inside the pyrolysis reactors themselves. The coal already formed, submitted to temperatures between 1,200 ° C and 900 ° C, in an environment with pressure P2 (see fig. 7), which will allow the occurrence of endothermic reactions, according to the following scheme:
H2O + C + CALOR CO2 + C + CALORH2O + C + HEAT CO2 + C + HEAT
ALCATRÃO + VAPOR + CALOR < = > CO + CO2 + CH4 < = > H2 + 2CO < = > 2COTAR + STEAM + HEAT <=> CO + CO2 + CH4 <=> H2 + 2CO <=> 2CO
Uma outra característica do processo da presente invenção, compreende a mudança de forma do material carbonáceo, com redução da porosidade e poder de adsorção, o que se traduz em melhoria do aspecto e utilização do produto resultante. Esta fase de reforma ou craqueamento dos gases produzidos na carbonização resulta na geração de um gás composto pela mistura de vapor d'água (H2O), dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), hidrogênio (H2), metano (CH4) eAnother characteristic of the process of the present invention, comprises the change in shape of the carbonaceous material, with reduced porosity and adsorption power, which translates into improved appearance and use of the resulting product. This phase of reform or cracking of the gases produced in carbonization results in the generation of a gas composed of a mixture of water vapor (H2O), carbon dioxide (CO2), carbon monoxide (CO), hydrogen (H2), methane ( CH4) and
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14/30 nitrogênio (N2), com poder calorífico inferior PCI de aproximadamente 4.000Kcal/Nm3.14/30 nitrogen (N2), with PCI lower calorific value of approximately 4,000Kcal / Nm3.
A presente invenção prevê, também, um sistema composto de um conjunto de reatores metálicos cilíndricos horizontais, revestidos internamente com material refratário, ligados a barriletes metálicos revestidos externamente com material refratário. Este conjunto de interconectores do sistema permite a circulação dos gases resultantes do processo de pirólise.The present invention also provides for a system composed of a set of horizontal cylindrical metal reactors, coated internally with refractory material, connected to metal barrels coated externally with refractory material. This set of interconnectors in the system allows the circulation of gases resulting from the pyrolysis process.
Na presente invenção, cada barrilete é revestido externamente, com a finalidade de promover o isolamento térmico do sistema.In the present invention, each barrel is coated externally, in order to promote the thermal insulation of the system.
De acordo com o processo da presente invenção, até a temperatura de 850° C utiliza-se apenas um barrilete de saída (BSC).According to the process of the present invention, up to a temperature of 850 ° C only one outlet keg (BSC) is used.
O arranjo geral do sistema descreve 09 barriletes que serão acionados durante o processo de acordo com a descrição seguinte: BE representa o barrilete de entrada de gases no reator; BSC - representa o barrilete de saída de gases do reator para circulação no conjunto de reatores; BSA representa o barrilete de saída de gases combustíveis do reator para alimentação da usina termoelétrica, produzidos nas FASES 6 e 7; B1 - representa o barrilete de oxigênio que injeta oxigênio no reator; B2 - representa o barrilete de circulação de gases para resfriamento após o abafamento do reator; B3 - Barrilete de alimentação da UTE que recebe os gases produzidos na FASE 6 e FASE 7, já reformados e craqueados, não condensáveis; B4 - Barrilete de exaustão para a atmosfera; B5 - Barrilete de injeção de gases quentes, contendo gases voláteis ainda não reformados ou craqueados, que recebe os gases produzidos nos reatores daThe general arrangement of the system describes 09 kegs that will be activated during the process according to the following description: BE represents the keg of gases entering the reactor; BSC - represents the reactor gas outlet barrel for circulation in the reactor set; BSA represents the fuel gas output barrel from the reactor to supply the thermoelectric plant, produced in PHASES 6 and 7; B1 - represents the oxygen barrel that injects oxygen into the reactor; B2 - represents the barrel of gas circulation for cooling after the reactor has been muffled; B3 - UTE feeding keg that receives the gases produced in PHASE 6 and PHASE 7, already reformed and cracked, non-condensable; B4 - Exhaust keg for the atmosphere; B5 - Barrel for hot gas injection, containing volatile gases not yet reformed or cracked, which receives the gases produced in the reactors of the
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15/3015/30
FASE 5, para serem injetados nos reatores onde o material cavaco de madeira está sendo secado na FASE 3; B6 Barrilete de circulação de gases para reforma, recebe os gases produzidos nos reatores das FASES 4 e 5 para serem reformados e craqueados nos reatores na FASE 8; B7 Barrilete de retirada dos gases não condensáveis -restantes no reator, na FASE 11, por meio de vácuo, para serem injetados no sistema de limpeza de gases combustíveis; B8 Barrilete de retirada de ar atmosférico presentes no reator, na FASE 2; B9 - Barrilete de injeção de ar atmosférico no reator -após o fim do processo e antes da abertura da porta para a retirada do carvão produzido, FASEPHASE 5, to be injected into the reactors where the wood chip material is being dried in PHASE 3; B6 Barrel of circulation of gases for reform, receives the gases produced in the reactors of PHASES 4 and 5 to be reformed and cracked in the reactors in PHASE 8; B7 Barrel for removing non-condensable gases - remaining in the reactor, in PHASE 11, by means of a vacuum, to be injected into the combustible gas cleaning system; B8 Barrel for removing atmospheric air present in the reactor, in PHASE 2; B9 - Barrel for injection of atmospheric air in the reactor - after the end of the process and before opening the door to remove the produced coal, PHASE
12, para a retirada de gases tóxicos e inflamáveis do reator.12, for the removal of toxic and flammable gases from the reactor.
Estes elementos interconectados que compreendem o objeto desta invenção possuem ainda, uma conexão com outros equipamentos ou máquinas que auxiliam seu funcionamento, conforme se depreende da Figura 1.These interconnected elements that comprise the object of this invention also have a connection with other equipment or machines that assist their operation, as shown in Figure 1.
A Tabela 1 descreve o funcionamento dos barriletes, conforme as fases do processo e funcionalização dos diversos componentes do sistema, objeto da presente invenção. O X marca quais os barriletes são operados durante cada fase que compreende o processo.Table 1 describes the operation of the kegs, according to the phases of the process and functionalization of the various components of the system, object of the present invention. The X marks which barrels are operated during each phase that comprises the process.
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16/3016/30
TABELA 1TABLE 1
A Tabela 2 descreve o funcionamento do sistema e 5 operacionalização das válvulas em cada fase do processo da invenção.Table 2 describes the operation of the system and operation of the valves at each stage of the process of the invention.
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17/3017/30
TABELA 2TABLE 2
Conforme se depreende, cada barrilete está associado a 5 válvulas de controle e monitoramento do sistema como um todo. A letra A indica quais as válvulas estão abertas e, em que fases. Ao todo, são 17 válvulas por reator, cujo funcionamento pode ser detalhado da forma seguinte: VálvulaAs it appears, each barrel is associated with 5 control and monitoring valves of the system as a whole. The letter A indicates which valves are open and in which phases. Altogether, there are 17 valves per reactor, whose operation can be detailed as follows: Valve
VI controla o fluxo de entrada de gases no barrilete BE; 10 durante a fase de injeção de oxigênio, isola os demais barriletes, permitindo a injeção somente pelo barrilete BE.VI controls the flow of gases entering the BE barrel; 10 during the oxygen injection phase, isolates the other barrels, allowing injection only by the BE barrel.
Válvula V2 controla o fluxo de saída de gases no barrilete BSC. Válvula V3 controla a injeção de oxigênio do barrilete Bl nos barriletes BE. Válvula V4 controla a entrada de gases do barrilete B2, oriundos da caldeira de recuperação,Valve V2 controls the outflow of gases in the BSC barrel. Valve V3 controls the injection of oxygen from barrel Bl into barrels BE. V4 valve controls the entry of gases from barrel B2, coming from the recovery boiler,
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18/30 para o resfriamento do carvão produzido. FASE 10. Válvula V5, controla a entrada de gases do barrilete B5, oriundos dos reatores da FASE 6, no barrilete BE, para a secagem do material, FASE 3. Válvula V6, controla a entrada de gases do barrilete B6, oriundos dos reatores da FASE 4 e FASE 5, no barrilete BE, para a reforma e craqueamento dos mesmos. Válvula V7, controla a injeção de gases oriundos do barrilete de saída BSC, dos reatores da FASE 7, no barrilete B5, para serem injetados na secagem do material,18/30 for the cooling of the produced coal. PHASE 10. Valve V5, controls the entry of gases from barrel B5, coming from the reactors of PHASE 6, in the BE barrel, for drying the material, PHASE 3. Valve V6, controls the entry of gases from barrel B6, coming from reactors of PHASE 4 and PHASE 5, in the BE barrel, for the reform and cracking of the same. Valve V7, controls the injection of gases from the BSC outlet barrel, from the PHASE 7 reactors, into the B5 barrel, to be injected in the drying of the material,
FASE 4. Válvula V8, controla a injeção de gases oriundos do barrilete de saída BSC, dos reatores das FASE 4 e FASE 5, no barrilete B6, para injeção nos reatores da FASE 8. Válvula V9 controla a saída dos gases oriundos do barrilete BSC, dos reatores da FASE 10, no barrilete B2, com destino a caldeira de recuperação. Válvula V10, controla a injeção dos gases oriundos do barrilete de saída BSA, dos reatores das FASE 7 e FASE 8, no barrilete B3, com destino o processo de geração de energia, alimentação da UTE. Válvula V11 controla a retirada de gás combustível restante no reator na FASE 11, para o barrilete B7, por meio de vácuo. Válvula V12, controla a retirada de ar atmosférico restante no reator após o fechamento da porta, FASE 2, para o barrilete B8, por meio de vácuo. Válvula V13, controla o acesso da tubulação do barrilete de entrada BE ao barriletePHASE 4. V8 valve, controls the injection of gases from the BSC outlet barrel, from the PHASES 4 and PHASE 5 reactors, into the B6 barrel, for injection into the PHASE 8 reactors. Valve V9 controls the outflow of gases from the BSC barrel. , of the reactors of PHASE 10, in barrel B2, bound for the recovery boiler. Valve V10, controls the injection of gases from the BSA outlet keg, from the PHASE 7 and PHASE 8 reactors, in the B3 keg, destined for the power generation process, feeding the UTE. Valve V11 controls the removal of fuel gas remaining in the reactor in PHASE 11, for the B7 barrel, by means of a vacuum. Valve V12, controls the removal of atmospheric air remaining in the reactor after closing the door, PHASE 2, to the B8 barrel, by means of a vacuum. V13 valve, controls the access of the BE inlet pipeline to the barrel
B4 de alívio para a atmosfera, do reator da FASE 1. Válvula V14, controla o acesso da tubulação do barrilete de saída BSC ao barrilete B4 de alívio para a atmosfera, do reator da FASE 1. Válvula V15 controla a injeção de ar atmosférico do barrilete B9, no reator da FASE 12. Válvula V16 controla o fluxo de saída de gases no barrilete BSA. Válvula V17, controla o acesso da tubulação do barrilete de saída BSA aoRelief to atmosphere B4, from the phase 1 reactor. Valve V14, controls the access of the BSC outlet barrel to the relief tube B4 from the phase 1 reactor. Valve V15 controls the injection of atmospheric air from the barrel B9, in the PHASE 12 reactor. Valve V16 controls the outflow of gases in the BSA barrel. Valve V17, controls the access of the BSA outlet pipe to the
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19/30 barrilete B4 de alívio para a atmosfera, do reator da FASE19/30 atmospheric relief barrel B4 from the PHASE reactor
1.1.
O sistema da presente invenção compreende, ainda, um equipamento de medição de pressão e temperatura interna dos reatores, misturadores de gases e dois barriletes para reserva.The system of the present invention also comprises an equipment for measuring pressure and internal temperature of the reactors, gas mixers and two reserve kegs.
Por fim, a presente invenção descreve um método de controle e obtenção de material com alto teor calorífico, densidade e resistência a pressão. Estas características se devem em função de uma correlação de média intensidade entre a densidade da madeira e a friabilidade do carvão bem como entre a densidade do carvão e a sua resistência à compressão mecânica, uma vez considerada a correlação de média intensidade da madeira e a friabilidade do carvão, bem como entre a densidade do carvão e sua resistência a compressão mecânica.Finally, the present invention describes a method of controlling and obtaining material with a high calorific content, density and pressure resistance. These characteristics are due to a correlation of medium intensity between the density of the wood and the friability of the charcoal as well as between the density of the charcoal and its resistance to mechanical compression, once considered the correlation of medium intensity of the wood and the friability of the coal, as well as between the density of the coal and its resistance to mechanical compression.
A madeira possui maior ou menor densidade, fundamentalmente devido a quatro fatores: tamanho de célula, espessura da parede celular, interação entre estes dois fatores e a presença de extrativos. Nesta invenção o método construído permite controle da influência da taxa de aquecimento e influência da pressão de carbonização.Wood has greater or lesser density, fundamentally due to four factors: cell size, cell wall thickness, interaction between these two factors and the presence of extracts. In this invention the constructed method allows control of the influence of the heating rate and influence of the carbonization pressure.
No caso da taxa de aquecimento, quanto mais alta, maior o rendimento em líquidos condensados. Para a pressão, quanto maior o tempo de contato entre os voláteis e o produto sólido, maior o rendimento em carvão. Quanto mais lenta for conduzida a carbonização, maior será o rendimento em carvão. O aumento da resistência a partir de 500°C pode ser devido a: a)Influência da diminuição radial, aumentando o número de fibras por unidade de área; b)Influência doIn the case of the heating rate, the higher, the greater the yield in condensed liquids. For pressure, the longer the contact time between the volatiles and the solid product, the higher the charcoal yield. The slower the carbonization is carried out, the higher the coal yield will be. The increase in resistance from 500 ° C may be due to: a) Influence of the radial decrease, increasing the number of fibers per unit area; b) Influence of
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20/30 rearranjo estrutural do carbono, produzindo uma estrutura de maior resistência.20/30 structural rearrangement of carbon, producing a structure of greater resistance.
Desta forma, o método da presente invenção permite que, com uma correta operação dos fornos seja possível passar do rendimento gravimétrico de 22-23% para 35%.In this way, the method of the present invention allows that, with a correct operation of the furnaces, it is possible to go from the gravimetric yield from 22-23% to 35%.
O método e processo, desta invenção, resultam na formação de material carbonáceo com poder calorífico da ordem de 7.800 Kcal/kg, resistência mecânica a compressão na faixa de 60 kg/cm2 podendo substituir o uso de coque de carvão mineral em fornos siderúrgicos.The method and process of this invention result in the formation of carbonaceous material with calorific value in the order of 7,800 Kcal / kg, mechanical resistance to compression in the range of 60 kg / cm 2 and can replace the use of coal coke in steel furnaces.
Na presente invenção, resulta, ainda, gás combustível. Os gases combustíveis produzidos pelo conjunto de reatores serão direcionados para alimentação de Usina Termoelétrica em ciclo combinado - UTE. Com o objetivo de obter um gás combustível resultante do processo com maior poder calorífico por metro cúbico, a presente invenção descreve uma fase de injeção de uma mistura com um mínimo de 70% de 02 e máximo de 30% de N2. Esta fase contribui com a redução de nitrogênio e aumento do poder calorífico.Fuel gas also results in the present invention. The combustible gases produced by the reactor set will be directed to feed the combined cycle thermoelectric plant - UTE. In order to obtain a fuel gas resulting from the process with greater calorific value per cubic meter, the present invention describes a phase of injection of a mixture with a minimum of 70% of 02 and a maximum of 30% of N2. This phase contributes to the reduction of nitrogen and increased calorific value.
DESCRIÇÃO DAS FIGURASDESCRIPTION OF THE FIGURES
Na Figura 1 representa o arranjo geral dos reatores, compreendendo o sistema, objeto da invenção.Figure 1 represents the general arrangement of the reactors, comprising the system, object of the invention.
A Figura 2 respresenta o arranjo geral do sistema, onde, B1 - representa o barrilete de oxigênio; B2 - representa o barrilete de circulação de gases; B3 - Barrilete de alimentação da UTE; B4 - Barrilete de exaustão para a atmosfera; B5 - Barrilete de injeção de gases quentes; B6 Barrilete de circulação de gases para reforma; B7 Barrilete de retirada dos gases não condensáveis; B8 30 Barrilete de retirada de ar atmosférico; B9 - Barrilete deFigure 2 represents the general arrangement of the system, where, B1 - represents the oxygen barrel; B2 - represents the gas circulation barrel; B3 - UTE feeding keg; B4 - Exhaust keg for the atmosphere; B5 - Hot gas injection barrel; B6 Barrel of circulation of gases for renovation; B7 Barrel for removing non-condensable gases; B8 30 Atmospheric air removal keg; B9 - Barrel of
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21/30 injeção de ar atmosférico. A Figura 2 descreve, ainda, alguns componentes do sistema, como segue:21/30 atmospheric air injection. Figure 2 also describes some components of the system, as follows:
- Ventilador insuflamento de ar- Air supply fan
- Reservatório de oxigênio- Oxygen reservoir
3 - Compressor3 - Compressor
- Oxigênio sistema PSA- Oxygen PSA system
- Purga de ar para atmosfera- Air purge for atmosphere
- Compressor- Compressor
- Tanque de vácuo de ar- Vacuum air tank
8 - Chaminé exaustão conjunto fornos8 - Chimney exhaust set furnaces
- Compressor- Compressor
- Caldeira de Recuperação 2- Recovery Boiler 2
- Tanque de vácuo de gás combustível frio- Cold combustible gas vacuum tank
- Compressor- Compressor
13 - Caldeira de recuperação 113 - Recovery boiler 1
- Compressor- Compressor
- Tanque de gás combustível frio- Cold combustible gas tank
- Turbina a gás- Gas turbine
- Sistema de limpeza de gás- Gas cleaning system
18 - Caldeira de Recuperação 318 - Recovery Boiler 3
- Trocador de calor no circuito vapor- Heat exchanger in the steam circuit
- Turbina a vapor- Steam turbine
A Figura 3 representa em detalhe o barrilete BSA de saída para alimentação da UTE.Figure 3 represents in detail the BSA output keg for feeding the UTE.
A Figura 4 representa em detalhe o barrilete BSC de saída para circulação de gases.Figure 4 represents in detail the outlet BSC barrel for circulating gases.
A Figuras 5 representa em detalhe o barrilete BE de entrada nos reatores.Figures 5 represents in detail the BE keg inlet to the reactors.
A Figura 6 representa o gráfico de pressão na operação dos 30 reatores.Figure 6 represents the pressure graph in the operation of the 30 reactors.
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22/3022/30
A Figura 7 representa o gráfico de variação de temperatura durante o processo.Figure 7 represents the graph of temperature variation during the process.
A Figura 8 representa o gráfico de acionamento dos fornos durante o processo de conversão de matéria lignocelulósica em material carbonáceo, considerando um ciclo de 22 horas.Figure 8 represents the graph of activation of the kilns during the process of converting lignocellulosic material into carbonaceous material, considering a cycle of 22 hours.
A Figura 9 representa detalhe dos barriletes de entrada nos reatores BE.Figure 9 shows a detail of the entry barrels in the BE reactors.
A Figura 10 representa detalhe dos barriletes de saída para alimentação da UTE BSA.Figure 10 shows a detail of the outlet barrels for feeding the UTE BSA.
A Figura 11 representa detalhe dos barriletes de saída para circulação dos gases BSC.Figure 11 shows a detail of the outlet barrels for the circulation of BSC gases.
A Figura 12 representa corte transversal de um dos reatores e barriletes BE, BSA e BSC.Figure 12 represents a cross section of one of the BE, BSA and BSC reactors and barrels.
A Tabela 3 apresenta uma legenda que deve ser aplicada para 15 a análise de cada gráfico presente nas figuras acima relacionadas.Table 3 presents a legend that must be applied for the analysis of each graph present in the figures listed above.
EXEMPLOSEXAMPLES
A presente invenção pode ser mais bem compreendida pelos exemplos abaixo apresentados.The present invention can be better understood by the examples presented below.
EXEMPLO 1 - DESCRIÇÃO DO PROCESSO EM MARCHAEXAMPLE 1 - DESCRIPTION OF THE STARTING PROCESS
Como exemplo para a descrição das fases do processo de conversão da madeira em carvão será considerado o tempo total de processamento de 22 horas e conseqüentemente um total de 22 reatores.As an example for describing the phases of the conversion process from wood to coal, the total processing time of 22 hours and consequently a total of 22 reactors will be considered.
FASE 1PHASE 1
REATOR 1, HORA 22 x N + 0 até 22 x N + 1 - CARGA E DESCARGA DO REATORREACTOR 1, TIME 22 x N + 0 to 22 x N + 1 - LOADING AND UNLOADING THE REACTOR
Fim do processo de carbonização. O material carbonizado está com temperatura abaixo de 50°C e o ambiente dentro do reator está ventilado com ar à pressão atmosférica. Abertura da porta do reator. Retirada das caçambasEnd of the carbonization process. The carbonized material has a temperature below 50 ° C and the environment inside the reactor is ventilated with air at atmospheric pressure. Opening of the reactor door. Buckets withdrawal
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23/30 metálicas carregadas com carvão pelo carro alimentador. Com o auxílio do carro alimentador, limpeza do fundo do reator com aspirador de pó para a retirada de cinzas e/ou material particulado depositado no fundo. Carregamento do reator com as caçambas metálicas carregadas com cavaco de madeira pelo carro alimentador. Fechamento da porta do reator.23/30 metal loaded with coal by the feeder cart. With the aid of the feeder, cleaning the bottom of the reactor with a vacuum cleaner to remove ash and / or particulate material deposited on the bottom. Loading of the reactor with metal buckets loaded with wood chips by the feeder cart. Reactor door closing.
FASE 2LEVEL 2
REATOR 1, HORA 22 x N + 1 até 22 x N + 1,25 - RETIRADA DE AR.REACTOR 1, TIME 22 x N + 1 to 22 x N + 1.25 - AIR EXTRACTION.
Saída do reator ligada no barrilete B8 - esvaziamento do ar no interior do reator por vácuo até pressão de -2 bar. Saída do reator desligada do barrilete B8.Reactor outlet connected to the B8 barrel - emptying the air inside the reactor by vacuum until a pressure of -2 bar. Reactor output disconnected from B8 barrel.
FASE 3PHASE 3
REATOR 1, HORA 22 x N + 1,25 até 22 x N + 1,5 - EQUALIZAÇÃOREACTOR 1, TIME 22 x N + 1.25 to 22 x N + 1.5 - EQUALIZATION
DE PRESSÃO.PRESSURE
Entrada do reator ligada no barrilete B5 - enchimento do reator com gás até a pressão P3 (ver fig. 7). A saída do reator permanece fechada.Reactor inlet connected to barrel B5 - filling the reactor with gas until pressure P3 (see fig. 7). The reactor outlet remains closed.
FASE 4PHASE 4
REATOR 1, HORA 22 x N + 1,5 até 22 x N + 4,5 - SECAGEM DO MATERIAL, FASE ENDOTÉRMICA.REACTOR 1, TIME 22 x N + 1.5 to 22 x N + 4.5 - DRYING OF THE MATERIAL, ENDOTHERMAL PHASE.
Entrada do reator permanece ligada no barrilete B5. Saída do reator é ligada no barrilete B6. A pressão interna do reator é mantida em P3. Ventilação no reator com vazão controlada para aumento de temperatura à taxa de 80°C/h até temperatura final de 280°C. Fim da fase endotérmica. Vazão varia durante a fase de secagem com abertura das válvulas de controle. Os gases de entrada no reator e os gerados nesta fase são direcionados para reforma e craqueamento.Reactor inlet remains connected to barrel B5. Reactor output is connected to the B6 barrel. The internal pressure of the reactor is maintained at P3. Ventilation in the reactor with controlled flow to increase the temperature at a rate of 80 ° C / h to a final temperature of 280 ° C. End of the endothermic phase. Flow rate varies during the drying phase with the opening of the control valves. The gases entering the reactor and those generated in this phase are sent to reform and cracking.
FASE 5PHASE 5
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24/3024/30
REATOR 1, HORA 22 x N + 4,5 até 22 x N + 7,5 - CARBONIZAÇÃO DO MATERIAL, FASE EXOTÉRMICA.REACTOR 1, TIME 22 x N + 4.5 to 22 x N + 7.5 - CARBONIZATION OF THE MATERIAL, EXOTHERMAL PHASE.
Entrada do reator desligada do barrilete B5. Entrada do reator ligada no barrilete B1, - injeção de oxigênio, aumento da pressão de P3 para Pmax (ver fig.7) . Saída do reator permanece ligado no barrilete B6. Aumento da temperatura de 300 para 550°C. Controle de vazão de oxigênio para manter taxa de aquecimento crescente. Os gases de entrada no reator e os gerados nesta fase são direcionados para reforma e craqueamento.Reactor inlet disconnected from B5 barrel. Reactor inlet connected to barrel B1, - oxygen injection, pressure increase from P3 to Pmax (see fig.7). Reactor output remains connected to the B6 barrel. Temperature rise from 300 to 550 ° C. Oxygen flow control to maintain increasing heating rate. The gases entering the reactor and those generated in this phase are sent to reform and cracking.
FASE 6PHASE 6
REATOR 1, HORA 22 x N + 7,5 até 22 x N + 9,5 - CARBONIZAÇÃO DO MATERIAL, FASE EXOTÉRMICA.REACTOR 1, TIME 22 x N + 7.5 to 22 x N + 9.5 - MATERIAL CARBONIZATION, EXOTHERMAL PHASE.
Entrada do reator permanece ligada no barrilete B1, 15 injeção de oxigênio. Saída do reator desligada do barrileteReactor inlet remains connected to barrel B1, 15 oxygen injection. Reactor output disconnected from the barrel
B6. Saída do reator ligada no barrilete B5. Pressão mantida em Pmax (ver fig. 7). Aumento da temperatura de 550 para 850°C. Controle de vazão de oxigênio para manter taxa de aquecimento crescente. Os gases de entrada no reator e os gerados nesta fase são direcionados para as fases anteriores de secagem.B6. Reactor output connected to B5 barrel. Pressure maintained at Pmax (see fig. 7). Temperature rise from 550 to 850 ° C. Oxygen flow control to maintain increasing heating rate. The gases entering the reactor and those generated in this phase are directed to the previous drying phases.
FASE 7PHASE 7
REATOR 1, HORA 22 x N + 9,5 até 22 x N + 11,5 CARBONIZAÇÃO DO MATERIAL, FASE EXOTÉRMICA.REACTOR 1, TIME 22 x N + 9.5 to 22 x N + 11.5 CARBONIZATION OF THE MATERIAL, EXOTHERMAL PHASE.
Entrada do reator permanece ligada no barrilete B1, injeção de oxigênio. Saída do reator desligada do barrilete B6. Saída do reator ligada no barrilete B3. Pressão é mantida em Pmax (ver fig. 7). Aumento da temperatura de 850 para 1.200°C. Controle de vazão de oxigênio para manter taxa de aquecimento crescente. Material atinge temperatura final do processo. Os gases de entrada no reator e osReactor inlet remains connected to barrel B1, oxygen injection. Reactor output disconnected from B6 barrel. Reactor output connected to barrel B3. Pressure is maintained at Pmax (see fig. 7). Temperature increase from 850 to 1,200 ° C. Oxygen flow control to maintain increasing heating rate. Material reaches final process temperature. The gases entering the reactor and the
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25/30 gerados nesta fase são direcionados para o barrilete de alimentação do processo de geração de energia.25/30 generated in this phase are directed to the feed barrel of the power generation process.
FASE 8PHASE 8
REATOR 1, HORA 22 x N + 11,5 até 22 x N + 15,5 - FASE DE REFORMA E CRAQUEAMENTO DOS GASES.REACTOR 1, TIME 22 x N + 11.5 to 22 x N + 15.5 - PHASE OF REFORM AND GAS CRACKING.
O ambiente do reator está com material carbonizado e àThe reactor environment has carbonized material and
Entrada do reator desligada do barrilete B1. Saída do reator permanece ligada no barrilete B3. Redução da pressão de Pmax para P2 (ver fig. 7) . Entrada do reator ligada no barrilete B6. Redução da temperatura de 1.200 para 900°C. Os gases de entrada no reator reformados nesta fase são direcionados para o barrilete de alimentação do processo de geração de energia.Reactor inlet disconnected from barrel B1. Reactor output remains connected to barrel B3. Pressure reduction from Pmax to P2 (see fig. 7). Reactor inlet connected to barrel B6. Temperature reduction from 1,200 to 900 ° C. The inlet gases in the reactor reformed at this stage are directed to the feed barrel of the power generation process.
FASE 9PHASE 9
REATOR 1, HORA 22 x N + 15,5 até 22 x N + 15,5 - ABAFAMENTO DO REATOR. FASE INSTANTÂNEA.REACTOR 1, HOUR 22 x N + 15.5 to 22 x N + 15.5 - DAMPING OF THE REACTOR. INSTANT PHASE.
Entrada do reator desligada do barrilete B6. Saída do reator desligada do barrilete B3. Temperatura do material permanece em 900°C. A pressão do reator é de P2 (ver fig. 7).Reactor input disconnected from B6 barrel. Reactor output disconnected from barrel B3. Material temperature remains at 900 ° C. The reactor pressure is P2 (see fig. 7).
FASE 10PHASE 10
REATOR 1, HORA 22 x N + 15,5 até 22 x N + 21,5 RESFRIAMENTO DO CARVÃO.REACTOR 1, TIME 22 x N + 15.5 to 22 x N + 21.5 COOL COOLING.
Petição 870180018338, de 07/03/2018, pág. 30/56Petition 870180018338, of 03/07/2018, p. 30/56
26/3026/30
Saida do reator ligada no barrilete B2. Entrada do reator ligada no barrilete B2. A pressão é reduzida de P2 para Pl (ver fig. 7). Redução da temperatura de 900 para 50°C.Reactor output connected to the B2 keg. Reactor inlet connected to barrel B2. The pressure is reduced from P2 to Pl (see fig. 7). Temperature reduction from 900 to 50 ° C.
FASE 11PHASE 11
REATOR 1, HORA 22 x N + 21,5 até 22 x N + 21,75 - RETIRADA DO GÁS COMBUSTÍVEL FRIO.REACTOR 1, TIME 22 x N + 21.5 to 22 x N + 21.75 - WITHDRAWAL FROM COLD FUEL GAS.
Ambiente no reator está preenchido com gases combustíveis a 50°C, com pressão Pl (ver fig. 7) . Saída do reator ligada no barrilete B7, retirada do gás combustível frio até pressão de -2 bar. Saída do reator desligada do barrilete B7 .Reactor environment is filled with combustible gases at 50 ° C, with pressure Pl (see fig. 7). Reactor outlet connected to the B7 barrel, removing the cold combustible gas up to a pressure of -2 bar. Reactor output disconnected from barrel B7.
FASE 12PHASE 12
barrilete 7, retirada do gás combustível frio até pressão de -2 bar. Entrada do reator ligada no barrilete B9.barrel 7, removal of the cold fuel gas up to a pressure of -2 bar. Reactor inlet connected to barrel B9.
Pressão no reator varia de -2 bar para pressão atmosférica. Saída do reator ligada no barrilete B4 . Ambiente do reator ventilado para retirada de CO e H2. Temperatura do reator igual a temperatura ambiente. Fim do processo.Pressure in the reactor ranges from -2 bar to atmospheric pressure. Reactor output connected to B4 barrel. Ventilated reactor environment to remove CO and H2. Reactor temperature equal to room temperature. End of the process.
As Tabelas 3 e 3.1 detalham o processo em marcha e a operacionalização de cada componente e controle das variáveis, do sistema e processos desta invenção e deverá ser considerada para análise dos gráficos apresentados nas figuras 6, 7 e 8.Tables 3 and 3.1 detail the process in progress and the operationalization of each component and control of the variables, system and processes of this invention and should be considered for analysis of the graphs presented in figures 6, 7 and 8.
TABELA 3TABLE 3
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27/3027/30
TABELA 3.1TABLE 3.1
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28/3028/30
Pmax = lObarPmax = lObar
Pmax > P3 > P2 > PlPmax> P3> P2> Pl
EXEMPLOS 2 E 3EXAMPLES 2 AND 3
Os ensaios abaixo apresentados foram realizados tendo como referência as seguintes normas brasileiras: NBR 8112 Carvão Vegetal - Análise Imediata, destinada à determinação dos teores de umidade, cinzas, matérias voláteis e carbono fixo de carvão vegetal; NBR 8633 - Determinação do Poder Calorífico, prescreve o método de determinação do poder calorífico superior do carvão vegetal a volume constante, em uma bomba calorimétrica adiabática, isotérmica ou estática; e NBR 6922 - Determinação da Massa EspecíficaThe tests presented below were carried out with reference to the following Brazilian standards: NBR 8112 Charcoal - Immediate Analysis, aimed at determining the contents of moisture, ash, volatile matter and fixed carbon of charcoal; NBR 8633 - Calorific Power Determination, prescribes the method of determining the higher calorific power of charcoal at constant volume, in an adiabatic, isothermal or static calorimetric pump; and NBR 6922 - Determination of Specific Mass
Petição 870180018338, de 07/03/2018, pág. 33/56Petition 870180018338, of 03/07/2018, p. 33/56
29/30 (Densidade a Granel), prescreve o método de determinação da massa específica do carvão vegetal como recebido.29/30 (Bulk Density), prescribes the method for determining the specific mass of charcoal as received.
EXEMPLO 2EXAMPLE 2
Cargas de cavaco de madeira de eucalipto convertidas em 5 carvão e gases combustíveis são descritas na Tabela 4 abaixo e comparadas com carvão comercial. Os cavacos de madeira têm granulometria na faixa de 20 a 150 mm.Loads of eucalyptus wood chips converted into 5 coal and combustible gases are described in Table 4 below and compared with commercial coal. The wood chips have granulometry in the range of 20 to 150 mm.
TABELA 4TABLE 4
A perda de gases nas conexões dos barriletes e nas portas dos reatores é estimada em 0,5% do total produzido e apresentada na Tabela 5. Composição do gás produzido à temperatura de saída de 900 °C, pressão de P2 e com poder calorífico total de 4,27 x 106 Kgcal.The loss of gases in the connections of the kegs and the doors of the reactors is estimated at 0.5% of the total produced and presented in Table 5. Composition of the gas produced at the outlet temperature of 900 ° C, pressure of P2 and with total calorific value of 4.27 x 10 6 Kgcal.
TABELA 5TABLE 5
Petição 870180018338, de 07/03/2018, pág. 34/56Petition 870180018338, of 03/07/2018, p. 34/56
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Exemplo 3Example 3
A Tabela 6 descreve resultados de comparação das características do carvão produzido no processo com carvão vegetal comercial.Table 6 describes results of comparison of the characteristics of the charcoal produced in the process with commercial charcoal.
TABELA 6TABLE 6
Petição 870180018338, de 07/03/2018, pág. 35/56Petition 870180018338, of 03/07/2018, p. 35/56
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