PT102198B

PT102198B - Processo para a gaseificacao alotermica de substancias e misturas de substancias organicas

Info

Publication number: PT102198B
Application number: PT102198A
Authority: PT
Inventors: Christoph Schmid; Heinz-Jurgen Muhlen; Helmut Kubiak
Original assignee: Dmt Ges Fur Forschung Und Pruf
Priority date: 1997-08-25
Filing date: 1998-08-24
Publication date: 2002-01-30
Also published as: PT102198A; DE19736867C2; DE19736867A1; ES2153299B1; ES2153299A1

Description

DESCRIÇÃO

PROCESSO PARA A GASEIFICAÇÃO ALOTÉRMICA DE SUBSTÂNCIAS E MISTURAS DE SUBSTÂNCIAS ORGÂNICAS

A presente invenção refere-se a um processo para a gaseificação alotérmica de substâncias e misturas de substâncias orgânicas de acordo com o âmbito da reivindicação

1.

A partir das Actas da ll^th World Hydrogen Energy Conference, Estugarda 1966, págs. 621 a 629, é conhecido um processo para a gaseificação de biomassa, em gue as substâncias orgânicas são tratadas num leito fluidificado estacionário que se encontra sob pressão. 0 meio de gaseificação é neste caso vapor de água altamente sobreaquecido, que pode ser obtido a partir de uma água de alimentação por utilização do calor residual contido no gás resultante da gaseificação. O vapor de água é conduzido sob pressão para o leito fluidificado pela parte inferior através de um fundo perfurado. A quantidade de calor necessária para reacção de gaseificação endotérmica é introduzida por meio de um permutador de calor, o qual imerge pela parte superior no leito fluidificado e é designado por ebulidor de imersão. 0 meio de aquecimento é gás de combustão, o qual é obtido por queima de uma parte do gás resultante da gaseificação.

material dos tubos do ebulidor de imersão está submetido a elevadas exigências. Uma vez que a gaseificação tem lugar a uma temperatura de pelo menos 700 °C, não é possível por razões relacionadas com os materiais de construção prever diferenças de temperatura elevadas entre o permutador de calor e o leito fluidificado.

Torna-se necessário por conseguinte introduzir quantidades relativamente elevadas de gases de combustão no circuito, a fim de ser possível incorporar as quantidades de calor correspondentes. Os ventiladores para gás quente necessários para este fim são muito caros e não se encontram disponíveis no mercado como componentes de série.

Para além disso, na utilização de gases de combustão como meio de aquecimento resulta uma corrente de gás que não foi purificado e cujo calor residual deve ser utilizado com a consequente necessidade de considerável investimento em equipamento.

A presente invenção tem como objectivo proporcionar um processo para a gaseificação alotérmica de substâncias orgânicas em que a incorporação de calor no processo alotérmico de gaseificação prossegue de tal modo que se reduzem consideravelmente os problemas de materiais de construção e em que é possível utilizar componentes industriais disponíveis habitualmente no mercado. Para além disso, o consumo de energia no processo, espeeialmente o consumo de energia eléctrica, é nitidamente reduzido.

Este objectivo foi resolvido por meio das instruções da reivindicação 1 da patente.

Outras caracteristicas são definidas por meio das instruções das reivindicações dependentes.

Para matérias primas para o processo da presente invenção são adequadas todas as substâncias orgânicas ou misturas de substâncias orgânicas que se podem utilizar sob forma dispersa (partículas, gotas) e que por conseguinte podem ser gaseificadas num gaseificador de leito fluidificado estacionário com o auxílio de um material de leito inerte. 0 leito fluidificado é formado e conservado de acordo com as regras conhecidas da técnica de fluidificação. A uma altura de cerca de 3 m do leito fluidificado são necessários dispositivos para provocar pulsações.

Como combustíveis são apropriados todos os combustíveis líquidos que dão origem a gases, que podem ser queimados completamente pela adição de quantidades estequiométricas de oxigénio, de ar ou de misturas destes e desde que o respectivo conteúdo em hidrogénio como hidrogénio ligado quimicamente garanta uma quantidade suficiente de vapor de ãgua. No caso de esta quantidade de vapor de água não ser suficiente pode-se também adicionar vapor.

A queima é efectuada estequiometricamente uma vez que na queima com quantidades superiores às estequiométricas aparece oxigénio elementar no meio fluidificado, o que provoca uma formação de calor indesejável na gaseificação, enquanto que na queima com quantidades inferiores às estequiométricas ocorre a presença de hidrogénio e de monóxido de carbono no meio fluidificado, o que inibe cinematicamente as reacções de gaseificação.

A quantidade de gás do meio de fluidif icação deve ser suficiente para ultrapassar a velocidade de floculação do leito fluidificado, mas não deve chegar à velocidade que provoca arrastamento. No que se refere à introdução de energia, a quantidade de gás deve ser tal que a quantidade de calor introduzida na janela de temperatura entre a temperatura da reacção de gaseificação e a temperatura de entrada do meio de fluidificação seja suficiente para o aquecimento da substância orgânica utilizada e para que se produza a reacção de gaseificação endotérmica.

A quantidade de vapor de água contida no gás residual de combustão deve ser tal que seja suficiente pelo menos para a quantidade de vapor de água necessária para a realização das reacções de gaseificação.

No caso de a quantidade de vapor de água não ser suficiente, adiciona-se vapor de água adicional.

A invenção baseia-se na ideia original de que o vapor de água necessário para a gaseificação alotérmica é obtido a partir da queima de hidrogénio ou de combustíveis que contêm hidrogénio. Simultaneamente aproveita-se para o processo de gaseificação o calor de combustão libertado nesta operação directamente sem permutador de calor.

As substâncias orgânicas utilizadas para a gaseificação necessitam do auxílio de um material de leito inerte para a formação de um leito fluidificado, onde em regra as substâncias orgânicas se decompõem muito rapidamente, não sendo possível em consequência a formação de um leito fluidificado de material disperso sólido. Não se torna necessário utilizar um material de leito inerte quando a biomassa (por exemplo, lamas de clarificação) trazem incorporadas grandes quantidades de material não gaseificável que é adequado para a formação de um leito fluidificado.

A corrente de alimentação da substância orgânica a gaseificar é incorporada no leito fluidificado sendo simultaneamente queimado o combustível numa câmara de combustão e o gás de combustão assim produzido introduzido de tal modo no leito fluidificado que serve como meio de fluidificação, de aquecimento e de gaseificação.

A gaseificação é integral, isto é, pretendem-se graus de transformação nitidamente superiores a 90 %, de preferência superiores a 99 %, com referência ao carbono incorporado com a biomassa.

Os parâmetros de operação fundamentais do processo de gaseificação são a pressão, a temperatura e o tempo de permanência das partículas no interior do gaseificador. De acordo com a presente invenção a gaseificação é efectuada sob pressão, estabelecendo-se imediatamente através do fundo perfurado de insuflação do leito fluidificado uma pressão absoluta de 3 bar ou superior. Pressões superiores têm influência positiva sobre o rendimento espacial e temporal. Para além disso, a sobrepressão pode ser utilizada com vantagem para compensar a perda de pressão dos elementos do circuito (leito fluidificado, filtros, ciclone, etc.). A temperatura de gaseificação situa-se, como é conhecido do estado da técnica, entre os limites de 700 e 950 °C, de preferência entre os limites de 750 e 900 °C. Neste caso o valor inferior é limitado por pela circunstância de que a pirólise das substâncias orgânicas que se deve dar logo em primeiro lugar dever ser muito rápida, de modo a que a formação de alcatrões e de produtos análogos a alcatrão possa scr minimizada. O valor superior da temperatura é uma consequência da necessidade de que o amolecimento dos vários componentes minerais e os processos de sinterização e de cozimento a ele ligados sejam minimizados. O tempo de permanência das partículas no gaseificador situam-se entre os limites de uma a dez horas, de tal modo que o grau de transformação do carbono residual nas partículas após a pirólise seja maximizado.

De acordo com a reivindicação 2 é possível utilizar como combustível uma parte dos gases produzidos resultantes da gaseificação, que para este fim devem ser feitos recircular. Por razões energéticas, a corrente de recirculação do gás resultante da gaseificação é desviada antes do arrefecimento por meio de uma torre de lavagem da corrente de gás resultante da gaseificação principal. É no entanto também possível tomar a corrente de gás resultante da gaseificação a recircular logo após a torre de lavagem. Deste modo, é possível a utilização de ventiladores de êmbolo económicos. Em qualquer dos casos, a quantidade de calor contida no gás resultante da gaseificação, que é de cerca de 10 % da quantidade de calor do gás, não é utilizada nesta variante processual.

Caso o conteúdo de hidrogénio no combustível não seja suficiente para assegurar a quantidade de vapor de água necessária para a gaseificação, adiciona-se mais vapor de água. O vapor de água adicional é de modo conveniente resultante da gaseificação por aproveitamento do calor perdido. A adição do vapor de água pode ser efectuada em qualquer ponto do circuito.

De acordo com a reivindicação 3 o combustível é pré-misturado imediatamente antes da combustão com vapor de água adicional. Por meio deste procedimento reduzem-se as pontas de temperatura durante a combustão, os quais poderiam provocar valores especialmente elevados de NOX e problemas de materiais.

É no entanto também possível introduzir a mistura de vapor de água após a combustão, por exemplo na saída da câmara de combustão ou directamente na região do fundo do leito fluidificado.

Quando, se efectua a mistura do vapor de água antes da combustão, é possível introduzir o vapor de água por meio de uma bomba do tipo de ejector, a qual funciona utilizando como meio propulsor o vapor de água. Este serve então simultaneamente para a elevação da pressão do gás que se destina à combustão.

As fases processuais anteriormente referidas bem como as definidas nas reivindicações e as descritas nos exemplos de realização de acordo com a presente invenção não pressupõem no que se refere às suas condições processuais quaisquer condições de realização específicas, de tal modo que é possível em cada domínio de aplicação utilizar critérios de selecção conhecidos sem limitações.

Outros pormenores, observações e vantagens do objecto da invenção tornam-se evidentes a partir da descrição que se segue dos desenhos em anexo, nos quais - a título exemplificativo se representam formas de concretização preferidas do processo para a gaseificação alotérmica de substâncias orgânicas. Nos desenhos representa-se:

Fig. 1 uma representação esquemática do processo de acordo com a presente invenção

Fig. 2 uma outra representação do processo de acordo com a presente invenção

A partir da Figura 1 observa-se que a biomassa 1 é carregada num gaseificador de leito fluidificado 10. Simultaneamente o combustível 3 é queimado numa câmara de combustão 11 com oxigénio 4. O gás resultante da combustão é dirigido através de uma tubagem 6 para o gaseificador de leito fluidificado 10 onde é feito entrar através de uma fundo perfurado de insuflação 9. Na câmara de combustão 11 é ainda introduzido vapor de água 5. O gás produzido resultante da combustão é retirado através da tubagem 2.

A Figura 2 apresenta uma forma de concretização do processo na qual uma parte do gás produzido resultante da gaseificação é utilizada como combustível. Para além disso, recupera-se vapor de água adicional a partir de um aproveitamento do calor perdido da corrente da gás resultante da gaseificação e introduz-se na câmara de combustão 11. A biomassa 1 é carregada no gaseificador de leito fluidificado

50. O gás de combustão é dirigido através de uma tubagem 21 para o gaseificador de leito fluidificado 50 onde é feito entrar através de uma fundo perfurado de insuflação 9. As cinzas 24 são retiradas através de um tubo de transvasamento 23 do gaseificador de leito fluidificado 50. O gás resultante da gaseificação sai do reactor de leito fluidificado através de uma tubagem 2 e é limpo das poeiras num ciclone 51, de onde são retiradas as poeiras finas 25. O gás resultante da gaseificação desempoeirado é conduzido através de uma tubagem 30 para um reservatório de recuperação de calor 52. No reservatório de recuperação de calor 52 produz-se uma corrente de vapor de água a partir de água de alimentação 27, o qual é conduzido para uma câmara de combustão 58 através de uma tubagem 28.

O gás resultante da gaseificação arrefecido á conduzido através de uma tubagem 31 para uma torre de lavagem 53. Para além disso, uma parte do gás proveniente da gaseificação é conduzida através de uma tubagem 35 com um compressor 57 para a câmara de combustão 58. A torre de lavagem 53 apresenta uma recirculação com uma bomba de recirculação 54 e um arrefecedor de recirculação 61. 0 gás resultante da gaseificação é arrefecido na torre de lavagem 53 de tal modo que a maior parte da água nele contida se condensa. A água é retirada da torre de lavagem 53 através de um tubo de saída 15, em que estão contidas também as impurezas separadas na torre de lavagem 53. O gás resultante da gaseificação sai da torre de lavagem 53 através de um separador de gotas 55 e é conduzido através de uma tubagem 32 até um filtro 56, antes de ser conduzido através da tubagem de saída do gás de gaseificação 33. o gás resultante da gaseificação recirculado da tubagem 35 é incinerado em proporções estequiométricas na câmara de combustão 58 com oxigénio 14 de uma tubagem 16, de modo que no meio de gaseificação não deve estar contido mais qualquer oxigénio elementar, o que provoca um aquecimento indesejável. O oxigénio 14 pode ser comprimido por meio de um compressor 59 até à pressão que existe na câmara de combustão 58. E também possível receber o oxigénio 14 a utilizar num posto de recepção 60 a partir de uma fonte de oxigénio externa, por exemplo uma instalação PSA para a produção de oxigénio.

Exemplos de realização

Gaseificou-se uma biomassa com a seguinte composição:

c	51,20	o 6	em	peso	em	base	anidra
H	5, 55	o. Ό	em	peso	em	base	anidra
0	42,10	%	em	peso	em	base	anidra
N	0, 95	o. Ό	em	peso	em	base	anidra
S	0,20	O_ Ό	em	peso	em	base	anidra
água	10, 00	O. Ό	em	peso
cinzas	2,50	Q. O	em	peso	em	base	anidra
A biomassa utilizada é	constituída	por	estilhas	de madeira
desperdícios de madeira	com uma	dimensão média	de 20 mm.

Utilizou-se uma quantidade de 1 t/h, referida ao estado seco e sem cinzas. Utilizou-se um gaseificador de leito fluidificado cilíndrico com uma altura de 10 m, em que se formou uma camada de leito fluidificado de 5 m bem como um troço pós-reaccional de 5 m. No gaseificador encontra-se um enchimento de óxido de alumínio (Moloquite) com uma granulometria de cerca de 1 mm. No gaseificador de leito fluidificado são ajustados os seguintes parâmetros de operação:

Temperatura de gaseificação 750 °C

Pressão 4 bar, abs.

Tempo de permanência das partículas aprox. 1 h

Na câmara de combustão efectua-se a incineração da corrente de gás resultante da gaseificação recirculado com utilização de oxigénio. Obtém-se no topo do gaseificador 2.491 m³ (i. N.)/h de um gás de gaseificação com a seguinte composição:

co₂	18, 60	O, Ό	em	volume
co	10,18	O. Ό	em	volume
h₂	32,51	O Ό	em	volume
ch₄	7,42	O. O	em	volume
n₂	0,13	O. O	em	volume
nh₃	0,26	O. Ό	em	volume
h₂s	0, 04	O. Ό	em	volume
cos	0, 01	O. q	em	volume
h₂o_d	30, 85	%	em	volume

gás resultante da gaseificação é feito passar através de um ciclone para eliminar as poeiras e é arrefecido num reservatório de saturado, sendo conduzido para uma torre de lavagem.

Antes de ser introduzido na torre de lavagem, a corrente de gás proveniente da gaseificação a recircular é desviada (496 m³/h). A corrente de gás proveniente da gaseificação apresenta ainda uma temperatura de 150 °C e deve ser comprimida até cerca de 700 mbar antes de ser introduzida na câmara de combustão. Na câmara de combustão coincidem os seguintes caudais:

1.001 kg/h 496 m³ (i. N.)/h 136 m³ (i. N.) /h vapor de sobreaqueciemnto a 750 °C gás de gaseificação oxigénio (93 % de O₂, 7 % de N₂+Ar)

O vapor e o gás de gaseificação são previamente misturados e introduzidos na câmara de combustão e são aí incinerados juntamente com o oxigénio em proporções estequiométricas. O gás de combustão é constituído por 91 % de vapor de água, até 8,8 % de CO₂ e até 0,2 % de azoto. A temperatura é de cerca de 1.200 °C. O gás de combustão é conduzido para o gaseificador de leito fluidificado pelo caminho mais curto.

Após a passagem na torre de lavagem é possível obter um gás de gaseificação com a seguinte composição:

CO₂

CO

H₂ ch₄ n₂ nh₃ h₂s cos h₂0_d

26.50 % em volume

14.50 % em volume 46,30 % em volume 10,57 % em volume

0,19 % em volume 0,36 % em volume 0,04 % em volume 0,01 % em volume 1,52 % em volume

O poder calorífico inferior deste gá3 foi determinado, tendo-se encontrado o valor de 10,85 MJ/m³ (i. N.) (seco). Foi possível obter 1.400 m³ (i. N.)/h de gás de gaseificação. Este valor corresponde a uma quantidade de energia química ligada da ordem de 4,15 MW. Daqui obtém-se um grau de actividade de gás frio de 79,7 %.

Legenda biomassa tubagem combustível oxigénio vapor de água tubagem fundo de insuflação gaseificador de leito fluidificado câmara de combustão oxigénio água residual tubagem tubagem tubo de descarga- do excesso cinzas cinzas volantes água de alimentação tubagem tubagem tubagem tubagem tubagem tubagem gaseificador de leito fluidificado ciclone reservatório de recuperação de calor torre de lavagem bomba de recirculação separador de gotas filtro compressor câmara de combustão compressor posto de recepção arrefecedor de recirculação

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Processo para a gaseificação alotérmica de substâncias e misturas de substâncias orgânicas, especialmente de biomassa, em que as substâncias orgânicas são gaseificadas num leito fluidificado estacionário sob pressão com um agente de gaseificação que contém essencialmente vapor de água, caracterizado por se incinerar estequiometricamente um combustível que contém hidrogénio e fazer passar o gás de combustão num leito fluidificado constituído pela substância orgânica e por um material de leito inerte de tal modo que este gás actua simultaneamente como meio de fluidificação para a manutenção do leito fluidificado e como fornecedor de energia para cobrir a necessidade de calor para o aquecimento da biomassa e para a reacção de gaseificação e também como agente de gaseificação, mistúrando-se vapor de água ao agente de gaseificação.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o gás resultante combustível. da gaseificação ser utilizado como 3. Processo de acordo com a reivindicação 1 e 2, caracterizado por a mistura do vapor de água ser efectuada antes da

incineração do combustível.
4. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1 e 2, caracterizado por o vapor de água ser misturado com o gás resultante da incineração.
5. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1 e 2, caracterizado por a mistura do vapor de água ser efectuada por meio de um ejector, o qual é accionado pelo vapor de água como meio de propulsão.