PT106899A - Processo de conversão de biomassa de elevada eficiência de energia - Google Patents

Abstract

ESTA INVENÇÃO REFERE-SE A SISTEMAS EFICIENTES APERFEIÇOADOS, EM TERMOS DE CONSUMO DE COMBUSTÍVEL, PARA O PROCESSAMENTO DA BIOMASSA, TAIS COMO RESÍDUOS DE MADEIRA OU DE COLHEITAS, RESÍDUOS ALIMENTARES OU DE ORIGEM ANIMAL, A FIM DE OBTER SELECTIVAMENTE PRODUTOS FINAIS TERMICAMENTE PROCESSADOS, TAIS COMO UMA COMBINAÇÃO DE PRODUTOS FINAIS TORRADOS E CARBONIZADOS. OS PROCESSOS ENVOLVEM A SECAGEM TÉRMICA DA BIOMASSA RECEBIDA UTILIZANDO UM SECADOR QUE UTILIZA A SAÍDA DE GÁS QUENTE DE UM QUEIMADOR OPERADO A COMBUSTÍVEL. EM SEGUIDA, O PRODUTO SECO É TORRADO NUM REACTOR DE TORREFACÇÃO INDIRECTA, DE MODO A DESENVOLVER COMPOSTOS ORGÂNICOS VOLÁTEIS LEVES QUE SÃO USADOS COMO UMA FONTE DE COMBUSTÍVEL GASOSO NO QUEIMADOR. ALGUM OU TODO O PRODUTO TORRADO PODE SER RECUPERADO, OU ALGUM OU TODO O PRODUTO TORRADO É ENTÃO DIRIGIDO PARA UM REACTOR DE CARBONIZAÇÃO SEPARADO ACOPLADO A UM QUEIMADOR DO REACTOR. A CARBONIZAÇÃO SERVE PARA REMOVER A MAIORIA DOS COVS RESTANTES QUE SÃO USADOS COMO UMA ENTRADA DE COMBUSTÍVEL GASOSO PARA O SECADOR.

Description

DESCRIÇÃO

"PROCESSO DE CONVERSÃO DE BIOMASSA DE ELEVADA EFICIÊNCIA DE ENERGIA"

REFERÊNCIA CRUZADA A UM PEDIDO RELACIONADO

Este pedido é uma continuação-em-parte do pedido N° . de Série 13/347,822, depositado em 11 de janeiro de 2012, que é aqui incorporado por referência na sua totalidade.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO 1. Campo da Invenção A presente invenção está relacionada, em geral, com métodos e aparelhos utilizados no processamento de biomassa para produzir biomassa torrada e/ou carbonizada (isto é, carvão vegetal). Mais particularmente, a invenção diz respeito a tais métodos e aparelhos através dos quais a biomassa inicial é inicialmente seca e, em seguida, torrada num reactor especializado de torrefacção indirecta, em que os gases combustíveis desenvolvidos a partir da biomassa, durante a torrefacção, são usados como uma fonte de combustível para o passo de secagem da biomassa inicial. De preferência, pelo menos uma porção ou a totalidade do produto torrado pode ser subsequentemente carbonizado num reactor de carbonização indirecta separado, sendo os gases combustíveis desenvolvidos a partir da carbonização também utilizados como uma fonte de combustível. Os processos da presente invenção são caracterizados por uma elevada eficiência energética, e, 1 em algumas formas, toda a energia térmica necessária para o processamento de estado estacionário é proveniente dos gases combustiveis desenvolvidos. 2. Descrição da Técnica Anterior 0 termo biomassa, tal como entendido na arte e tal como aqui utilizado, refere-se a um material biológico derivado de organismos vivos ou vivos recentemente. No contexto da biomassa para a energia, isto é muitas vezes usado para significar materiais baseados em plantas, mas a biomassa pode igualmente aplicar-se tanto a materiais derivados de animais como de vegetais. A biomassa é baseada em carbono e é composta por uma mistura de moléculas orgânicas que contêm hidrogénio, incluindo geralmente os átomos de oxigénio, e, muitas vezes, com outros átomos, incluindo metais pesados, alcalinos e alcalinos terrosos. A biomassa vegetal é normalmente lignocelulósica na natureza e pode ser derivada de uma variedade de fontes: madeira, tais como residuos florestais, actividades de arboricultura, e processamento de madeira, residuos agricolas, tais como a palha de milho e palha de arroz; gramineas, tais como a erva-dos-prados e o miscanto. Outras fontes de biomassa incluem restos de comida proveniente do fabrico, preparação e processamento de comida e bebida, ou de residuos industriais, residuos sólidos municipais e resíduos animais. A biomassa tal como é recebida geralmente tem um teor de humidade de 5-80%, em peso.

Têm sido desenvolvidas técnicas no passado para o processamento da biomassa para obter combustiveis úteis. Em geral, a biomassa nativa é preliminarmente pré-dimensionada, seca e dimensionada, e é depois termicamente tratada para obter diferentes produtos finais, incluindo a biomassa torrada e a biomassa carbonizada (carvão vegetal) . A 2 torrefacção envolve o processamento térmico para desenvolver gases combustíveis orgânicos, particularmente compostos orgânicos voláteis (COVs). No entanto, o produto torrado ainda contém COVs pesados e, se for utilizado como um combustível, terá uma tendência para formar "fumo". A carbonização remove a maioria dos COVs restantes na biomassa torrada, deixando um resíduo que é essencialmente livre de compostos que produzem fumo e é composto essencialmente por carbono fixo.

Geralmente, têm sido feitas tentativas para levar a cabo muitas ou todas as etapas de processamento de biomassa num reactor único de aquecimento directo. Isto provou ser problemático por causa das baixas taxas de produção e devido ao facto de um reactor único não poder proporcionar as condições óptimas para a secagem, torrefacção, e carbonização. Além disso, a produtividade dos sistemas de reactor único é relativamente baixa, uma vez que a maioria dos sistemas de carbonização simples são sistemas descontínuos.

SUMARIO DA INVENÇÃO A presente invenção supera os problemas acima descritos e proporciona processos e equipamento aperfeiçoados para a torrefacção e carbonização de uma biomassa inicial, preferencialmente numa base continua. Em geral, os processos da presente invenção compreendem, em primeiro lugar, a secagem térmica da biomassa não tratada, pré-dimensionada para um teor de humidade reduzido, num secador utilizando a saída de gás quente de uma unidade de queimador operada a combustível. Normalmente, a biomassa não tratada é reduzida a um tamanho relativamente uniforme (por exemplo, uma dimensão de secção transversal máxima de cerca de 0,3175-1,905 cm 3 usando um moinho de martelos ou outro equipamento de redução de tamanho, antes da secagem. Vantajosamente, a etapa de secagem é realizada num secador rotativo utilizando um gás de entrada de secagem quente a uma temperatura de cerca de 204,44 a 537,78 °C, mais preferivelmente de cerca de 315,56-426,67 °C. Quando é utilizado o secador preferido, o tambor de secagem deve ser rodado a uma velocidade de cerca de 5-10 rpm. 0 tempo de residência no secador pode variar de 5 segundos a 8 minutos, dependendo do tamanho das partículas da biomassa de entrada. No passo de secagem, o teor de humidade é reduzido para um nivel de cerca de 2-15% em peso, e mais preferivelmente de cerca de 2-4% em peso.

No passo seguinte, pelo menos uma parte da biomassa seca é termicamente torrada num reactor de torrefacção indirecta diferente do secador usando a salda de gás quente da unidade de queimador operada a combustível para gerar: (1) uma primeira corrente de saída de produto sólido compreendendo biomassa torrada, (2) uma primeira corrente de saída gasosa combustível que contém constituintes orgânicos combustíveis desenvolvidos a partir da torrefacção da biomassa; e (3) uma primeira corrente de gás residual proveniente do reactor de torrefacção compreendendo o gás utilizado para torrar indirectamente a biomassa seca. É importante notar que, pelo menos uma porção da primeira corrente de saída de gás combustível é utilizada como, pelo menos uma parte, do combustível para operar a unidade de queimador. De preferência, a primeira corrente de gás residual é também utilizada como uma fonte de calor para o secador de biomassa.

No processo de torrefacção, a temperatura dentro do reactor deve ser de cerca de 176,67-343,33 °C, e mais preferivelmente de cerca de 204,44-315,56 °C, substancialmente à pressão atmosférica no interior do 4 reactor. Os gases de aquecimento indirecto para o reactor têm, de preferência, uma temperatura de cerca de 204,44-426,67 °C, mais preferivelmente de cerca de 260-398,89 °C. O tempo de residência no interior do reactor de torrefacção varia geralmente entre cerca de 5-25 minutos, e mais preferivelmente de cerca de 8-20 minutos. O teor de oxigénio, com o reactor de torrefacção deve ser inferior a cerca de 8%, em peso, e mais preferivelmente inferior a cerca de 6% em peso. Quando é utilizado o reactor de torrefacção preferido, o invólucro do mesmo deve ser rodado a uma velocidade de cerca de 0,5-5 rpm, mais preferivelmente entre cerca de 1-3 rpm. Como usado aqui, o termo "biomassa torrada" refere-se a um produto de biomassa tratada com um teor de humidade de até cerca de 4% em peso, um teor reduzido de produtos voláteis de cerca de 10-30% do teor de voláteis da matéria-prima seca, pré-torrada, e um teor de carbono fixo até cerca de 35% em peso.

Após a torrefacção, pelo menos uma porção da corrente de saida do produto sólido é dirigida para um reactor de carbonização aquecido indirectamente, diferente do reactor de torrefacção, a fim de carbonizar a biomassa torrada com a saida de gás quente da unidade de queimador para gerar: (1) uma segunda corrente de saida do produto sólido compreendendo biomassa carbonizada, (2) uma segunda corrente de saida gasosa combustível compreendendo constituintes orgânicos combustíveis desenvolvidos a partir da carbonização da biomassa torrada, e (3) uma segunda corrente de gás residual proveniente do reactor de carbonização compreendendo o gás utilizado para carbonizar indirectamente a biomassa torrada. Tal como no caso do reactor de torrefacção, pelo menos uma porção da segunda corrente de saída gasosa combustível é utilizada para operar a unidade de queimador. Da mesma forma, 5 é preferível utilizar a segunda corrente de gás residual como uma fonte de calor para o secador.

Durante a carbonização, a temperatura no interior do reactor irá variar de cerca de 315,56-648,89 °C, mais preferivelmente de cerca de 371,11-593,33 °C, substancialmente à pressão atmosférica no interior do reactor. Os gases utilizados para aquecer indirectamente o reactor de carbonização estarão a uma temperatura de cerca de 426,67-704,44 °C, e mais preferivelmente de cerca de 482,22-648,89 °C. Os gases de saída carregados de COVs, provenientes do reactor de carbonização, reciclados para o queimador do reactor, como combustível, deverão ter uma temperatura de cerca de 315,56-537,78 °C, mais preferivelmente de cerca de 371,11-482,22 °C (700-900 °F). 0 tempo de residência do material dentro do reactor de carbonização irá variar entre cerca de 5-30 minutos, mais preferencialmente, entre cerca de 8-25 minutos. 0 teor de oxigénio no interior do reactor de carbonização deve ser inferior a cerca de 8%, em peso, mais preferivelmente inferior a cerca de 4% em peso. Quando é utilizado o reactor de carbonização preferido, o invólucro do mesmo deve ser rodado a uma velocidade de cerca de 0,5-5 rpm, mais preferivelmente entre cerca de 1-3 rpm. Como usado aqui, os termos "biomassa carbonizada" ou "carvão" referem-se a um produto de biomassa tratada com um teor de humidade de até cerca de 4% em peso, um teor de COVs de até cerca de 35% em peso e um teor de carbono fixo de até cerca de 85% em peso.

Em formas preferidas, os processos da invenção são realizados numa base contínua para produzir quer uma combinação de produtos finais torrados e carbonizados, ou produtos finais totalmente carbonizados. Para este fim, é preferível que o produto torrado quente do reactor de torrefacção seja substancialmente contínua e imediatamente 6 transportado para o reactor de carbonização sem qualquer arrefecimento substancial entre os reactores. Tal como aqui utilizado, o termo "diferente" ou "separado", no que diz respeito aos reactores de torrefacção e de carbonização refere-se ao facto de que os parâmetros operacionais (por exemplo, temperatura, tempo de residência, teor de oxiqénio), dos dois reactores, poderem ser independentemente controlados. Em formas preferidas, os dois reactores estão fisicamente separados com aparelhos de transporte entre os mesmos; no entanto, uma estrutura continua contendo zonas independentemente controláveis teria também reactores diferentes ou separados. Como se observa, os reactores torrefacção e carbonização são indirectos, isto é, a biomassa seca é torrada sem contacto térmico directo entre a biomassa seca e os gases de aquecimento e, de igual modo, a biomassa torrada é carbonizada sem o contacto directo entre a biomassa torrada e os gases de aquecimento.

De preferência, a unidade de queimador compreende queimadores do secador e do reactor separados, respectivamente operativamente acoplados com o secador de biomassa e o reactor de torrefacção, e quando é utilizado um reactor de carbonização, o queimador do reactor é também acoplado a este reactor. Além disso, quando se deseja produzir apenas uma biomassa torrada ou biomassa tanto torrada como carbonizada, uma parte da corrente de saida do produto sólido seco, pré-torrado, proveniente do secador, é dirigida para a unidade do queimador como uma parte do combustível, para a operação da mesma.

Os reactores preferidos de torrefacção e carbonização da invenção são substancialmente idênticos, excepto nos materiais utilizados na construção dos mesmos. Assim, estes reactores compreendem um invólucro, que pode rodar 7 axialmente, alongado, tendo uma entrada de biomassa adjacente a uma extremidade do mesmo e uma saída de biomassa tratada adjacente à outra extremidade do mesmo, com um alojamento numa relação envolvente com o invólucro e definindo com o invólucro uma zona de aquecimento indirecto, e incluindo uma entrada de gás quente operável para receber gás quente para o tratamento térmico indirecto de biomassa no interior do invólucro, e uma saída de gás. A saída inclui uma parede tronco-cónica com uma projecção em espiral interna, ao longo do seu comprimento, com a parede fixa ao invólucro e que pode rodar com o mesmo. A projecção em espiral é, de preferência, sob a forma de uma série de paredes espirais individuais circunferencialmente espaçadas umas das outras em torno da parede tronco-cónica. Além disso, é preferível utilizar uma série de projecções internas ao longo do comprimento do invólucro e cada uma incluindo um primeiro segmento fixo à superfície interna do invólucro, e um segundo segmento orientado num ângulo em relação ao primeiro segmento.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A FIG. IA é um diagrama de fluxo esquemático que ilustra os componentes importantes e o funcionamento do sistema de conversão de biomassa preferido da invenção, para a produção de um produto final de carvão; FIG. 1B é um diagrama de fluxo esquemático que ilustra os componentes importantes e o funcionamento do sistema de conversão de biomassa preferido da invenção, para a produção do produto final torrado; FIG. 1C é um diagrama de fluxo esquemático que ilustra os componentes importantes e o funcionamento do sistema de conversão de biomassa preferido da invenção, para a produção de ambos os produtos finais torrado e carvão; A FIG. 2 é uma vista em perspectiva frontal do reactor de torrefacção rotativo que faz parte integrante dos sistemas das Figs. 1A-1C; A FIG.3 é um alçado de frente do reactor ilustrado na FIG. 2, com partes retiradas para revelar a sua construção; A FIG.4 é uma vista em alçado posterior do reactor da fig.2; A FIG.5 é uma vista em corte vertical do reactor ilustrado na FIG.2; A FIG.6 é uma vista ampliada em corte fragmentada que ilustra os pormenores de construção da extremidade de entrada da frente do reactor da fig.2; A FIG.7 é uma vista ampliada em corte fragmentada que ilustra os pormenores de construção da extremidade traseira de saida do reactor da fig.2 e A FIG.8 é uma vista vertical, tomada ao longo da linha 8-8 da FIG.5.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA FORMA DE REALIZAÇÃO PREFERIDA

Voltando agora aos desenhos, e em particular às FIGS. 1A-1C, os sistemas de conversão de biomassa 10A, 10B, e 10C estão ilustrados esquematicamente. O sistema 10A destina-se à conversão de biomassa inicial a partir de uma variedade de fontes num produto carbonizado ou carvão; o sistema 10B destina-se à conversão de biomassa num produto torrado; e o sistema 10C destina-se a produzir simultaneamente tanto o carvão como os produtos torrados. Como explicado abaixo, todos os sistemas 10A-10C produzem ainda correntes de combustível gasoso (COV) e correntes de saída de gás quente para proporcionar uma fracção substancial da necessidade de energia térmica para o funcionamento equilibrado, de estado estacionário, dos sistemas, e, nos casos dos sistemas 10B e 9 10C, correntes de biomassa sólida seca combustível. Um objectivo principal da invenção é o de operar os sistemas 10A-10C, de modo a fornecer, desta forma, uma fracção substancial (de preferência pelo menos cerca de 80% da mesma, mais preferivelmente pelo menos cerca de 90% da mesma, e mais preferivelmente substancialmente toda) a energia térmica necessária para o funcionamento de estado estacionário dos sistemas.

Sistema 10a para a Produção de Produtos de Carvão (Fig. IA)

Os componentes principais do sistema de carvão 10A são um secador de tambor rotativo convencional 12, um reactor de torrefacção rotativo 14, um reactor de carbonização rotativo 16, um queimador do secador convencional 18, um queimador do reactor convencional 20, e uma unidade de conduta 22, que interliga operativamente os componentes referidos. O secador de tambor rotativo 12 é, preferivelmente, do tipo descrito na Patente dos EUA No.7.155.841, aqui incorporada por referência na sua totalidade. O secador 12 inclui um invólucro de secador alongado, circular em secção transversal, que pode rodar axialmente 24, com uma entrada 26 e uma saída 28. Internamente, o secador 12 tem uma primeira e segunda secções de secagem axialmente espaçadas, cada uma equipada com um turbulador e uma secção de fluxo de serpentina a jusante (não mostrada). Os turbuladores são concebidos para desviar as porções de uma corrente de produto/ar em direcções diferentes, respectivamente, para obter uma mistura intensa dentro do invólucro 24. O reactor de torrefacção 14 está ilustrado em pormenor nas Figs. 2—8 e inclui, de um modo geral, um invólucro 30 alongado, que se prolonga horizontalmente, em secção transversal geralmente circular rotativo, metálico (aço 10 carbono), com uma unidade de entrada 32, e uma unidade de sarda oposta 34, e um alojamento isolante de múltiplas peças 36, envolvendo o invólucro 30. Internamente, o invólucro 30 é equipado com uma unidade de projecção de entrada 38, uma unidade de projecção de sarda 40, e uma sarda espiral tronco-cónica 42. Uma unidade de estrutura mais inferior 43 suporta o invólucro 30 e o alojamento 36, e o equipamento relacionado como descrito abaixo. O invólucro 30 inclui um corpo principal cilíndrico 44 com uma parede final de entrada 46 e uma parede final de sarda 48. A parede 46 inclui uma projecção central 50 que define uma entrada tubular 52, enquanto que a parede 48 também tem uma projecção central 54 que define uma abertura de sarda 56. 0 invólucro 30 é concebido para rodar durante o funcionamento do reactor 14 e, para este fim, as extremidades de entrada e de sarda do reactor são fornecidas com as unidades de munhão convencionais 58 e 60. Além disso, a extremidade de entrada do invólucro 30 está equipada com um carreto de accionamento circular 62, assim como um motor de accionamento 64; uma corrente de transmissão 66 está operativamente acoplada entre a sarda 64a do motor 64 e do carreto de accionamento 62 de modo a efectuar a rotação do invólucro 30 a uma velocidade de rotação desejada (figuras 2 e 3) . A unidade de entrada 32 do invólucro 30 inclui uma unidade alongada dum sem-fim tubular 68 tendo uma camisa 70, um sem-fim de transporte interno 72 accionado pelo motor 74, e uma abertura de entrada 76. Como será apreciado, a rotação do sem-fim 72 serve para transportar o material a ser processado para o interior do invólucro 30. A unidade de sarda 34 inclui um alojamento exterior fixo 78 tendo uma sarda superior gasosa 80, uma sarda de sólidos 11 inferior 81, uma câmara de ar 82 em comunicação com a saída 81, e uma porta de acesso central 84. A câmara de ar 82 inclui uma câmara de ar rotativa que permite o fluxo de sólidos a partir da saída 81, e, além disso, serve para impedir a fuga de COVs. A parede traseira do alojamento 78 possui, adicionalmente, uma flange circular 86, que está em alinhamento com a abertura de saída 56, e uma abertura de entrada do alojamento 88. Um conector de vedação circular que se prolonga circunferencialmente 90 estende-se em torno da projecção 54 da parede da extremidade de saída 48 e da flange 86, e serve para interligar operativamente o invólucro 30 e o alojamento 78. A unidade de projecção de entrada 38 (FIG. 6) inclui uma pluralidade de projecções, circunferencialmente espaçadas, em espiral, 92, que se estendem a partir da superfície interna da parede de extremidade de entrada 46. A unidade 38 possui ainda uma série de projecções angulares igualmente espaçadas circunferencialmente 94 que se prolongam a partir das projecções 92 ao longo da maioria do comprimento do invólucro 30. Cada projecção 94 inclui um segmento que se projecta para dentro 96, soldado à superfície interna do invólucro 30, e um segmento oblíquo 98 que se estende desde a extremidade interior do segmento 92 (FIG. 8). A unidade de projecção de saída 40 inclui uma série de projecções igualmente espaçadas circunferencialmente, prolongando-se radialmente para dentro, rectilíneas, 100, que estão localizadas substancialmente equidistantes entre as projecções angulares a montante 94. As projecções 100 estendem-se desde as extremidades das projecções angulares 94 até à saída em espiral 42 (FIG. 5). A saída em espiral 42 compreende uma parede tronco-cónica de extremidades abertas 102 que é fixa à superfície 12 interna do invólucro 30 e ao rebordo interno da abertura de sarda 56 (FIG. 7), a fim de rodar com o invólucro 30. A extremidade de sarda da parede 102 inclui uma secção cilíndrica curta 104 que se estende para dentro da abertura de saída 88. Internamente, a parede 102 está equipada com uma série de quatro projecções em espiral igualmente espaçadas circunferencialmente 106, 108, 110, 112. O alojamento isolado 36 inclui uma secção inferior 114 tendo uma parede inferior 116, paredes laterais, verticais, opostas 118, 120, e paredes extremas opostas 122, 124, e uma série de entradas de gás quente inferiores (não mostradas). Como melhor se vê na fig.8, as paredes laterais 118, 120 estendem-se para cima, aproximadamente para o eixo de rotação do invólucro 30, e as paredes 116-124 estão equipadas com uma camada interior de isolamento térmico refractário 126. O alojamento 36 tem também uma secção arqueada superior 128, que inclui uma secção de parede alongada, seccionada primária 130 com secções ponta-a-ponta interligadas 132, 134, e 136, e as paredes de extremidade de entrada e saída 138, 140, estendendo-se, respectivamente, a partir das secções 132 e 136. A secção 128 cobre a metade superior do invólucro 30 e está fixa à secção inferior 114. Como melhor se vê nas figs. 6 e 7, as paredes da extremidade 138, 140 estendem-se em estreita proximidade com o invólucro rotativo 30, e as vedações correspondentes 138a, 140a proporcionam um engate de vedação com o invólucro 30. Desta forma, as secções 114 e 128, definem cooperativamente uma zona de aquecimento indirecto, fechada, 142, em torno do invólucro 30. As paredes de secção superior 132-136 possuem também uma camada interna de isolamento térmico refractário 144.

Cada uma das secções 132-136 tem uma abertura vertical 146, 148, e 150, e uma porta corrediça deslocável 152, 154, e 13 156, o que permite a abertura e fecho selectivos das aberturas associadas 146-150. As aberturas 146-150 servem como aberturas de saída para a introdução de gás quente no secador 12. A unidade de estrutura 43 inclui calhas primárias que se estendem para a frente e para trás 158 em lados opostos do alojamento 36, com calhas transversais 160 estendendo-se e interligadas às calhas 158 ao longo dos respectivos comprimentos. Adicionalmente, são fornecidos suportes verticais 162 adjacentes ao alojamento 78, a fim de suportar este último, juntamente com um suporte invertido, em forma de U 164, acoplado ao sistema de sem-fim 32. 0 reactor de carbonização 16 é essencialmente idêntico ao reactor de torrefacção 14, excepto no facto dos componentes metálicos do mesmo serem formados de uma liga de alta temperatura, em vez de aço carbono. Além disso, o alojamento isolador do reactor 16 está equipado com betão refractário, que pode suportar temperaturas até 1204,44-1371,11 °C, semelhante ao material refractário utilizado no reactor de torrefacção 14. Por conseguinte, os mesmos números de referência são usados para descrever e representar o reactor de carbonização. A unidade da conduta 22 interliga os componentes acima descritos, para formar um sistema completo e operativo. A unidade 22 inclui uma conduta de entrada de combustível gasoso 166, com um ventilador 166a e uma câmara de ar 167, uma conduta de entrada de ar de combustão 170 com um ventilador 170a; ambas as condutas 166 e 170 estão acopladas ao queimador do secador 18. Uma conduta de saída 174 estende-se desde a saída do queimador do secador 18 até à unidade de entrada 26 do secador de tambor 12, a fim de fornecer o gás de combustão quente a este último para uma secagem inicial da 14 biomassa de entrada. Uma conduta de entrada de biomassa 175 é também acoplada à unidade de entrada 26 para fornecer biomassa de entrada ao sistema 10A. É fornecida uma conduta de saída de sólidos/gás 176, entre a saída 28 do secador de tambor 12 e a entrada de um separador de ciclone convencional 178, que serve para separar as fracções de sólidos e gases recebidos da saída 28 do secador de tambor 12. Uma conduta de saída gasosa 180 equipada com um ventilador 180a estende-se desde a saída superior gasosa do ciclone 178 para uma abertura de ventilação atmosférica. Uma conduta de saída de sólidos 182, equipada com uma câmara de ar 183, estende-se desde a saída de sólidos inferior do ciclone 178 até à unidade de entrada 32 do reactor de torrefacção 14. 0 fornecimento de câmaras de ar 82, 167, e 183 evita a entrada de ar ambiente para dentro do reactor 14. Como tal, pode ser criada e controlada a atmosfera privada de oxigénio preferida, no interior do reactor 14.

Uma conduta de entrada de gás quente 184, proveniente da saída do queimador do reactor 20, estende-se até uma das aberturas 146-150 do invólucro 36 do reactor 14, a fim de fornecer o calor indirecto necessário para torrar os sólidos recebidos do separador de ciclone 178. Uma conduta separada 185 com um ventilador 185a fornece ar de combustão ao queimador 20. Uma conduta 186, equipada com um ventilador 186a, é acoplada entre outra das aberturas 146-150 do invólucro 36 e da conduta 174, para o fornecimento de gás quente de secagem adicional para o secador 12. O gás quente carregado de COVs recuperado na unidade de saída do reactor de torrefacção é transportado através da linha 166, equipada com um ventilador 166a para a entrada do queimador 18. 15

Uma conduta de saída de sólidos torrados 188, equipada com uma câmara de ar 189, estende-se a partir da câmara de ar 82 do reactor 14 para transportar o produto torrado para a unidade de entrada 32 do reactor de carbonização 16. 0 produto seco e torrado, proveniente do reactor 14 é então submetido a uma reacção de carbonização adicional no interior do reactor 16. Para esse fim, uma conduta de entrada de gás quente 190 estende-se a partir do queimador 20 para as aberturas de entrada, ao longo da metade inferior do invólucro 36 do reactor 16, e uma conduta de saída do gás quente residual 192 estende-se desde as aberturas 146-150 para a conduta 186, proporcionando assim uma outra fonte de gás de secagem para uso no secador de tambor 12. 0 gás quente carregado de COVs recuperado na unidade de saída 34 do reactor 16 é transportado através da linha 194, equipada com o ventilador 194a e a câmara de ar 195 para a entrada do queimador 20. A produção final de carvão proveniente do sistema 10A é transportada através da conduta 196 da unidade de saída 34, do reactor 16, através da câmara de ar 82 para o arrefecimento e recolha da mesma. A este respeito, é importante que o produto carbonizado seja arrefecido a uma temperatura que irá evitar a combustão espontânea do produto quando exposto ao ar ambiente; qualquer aparelho de arrefecimento convencional pode ser usado para este fim. As câmaras de ar 82, 189, e 195 evitam a entrada de ar ambiente para dentro do reactor 16 durante o funcionamento do mesmo.

Como será apreciado a partir da descrição anterior, o sistema geral 10 é desenhado para processar em série biomassa de entrada para secar inicialmente a biomassa no secador 12, para logo torrar a biomassa seca no reactor 14, seguindo-se a carbonização final no reactor 16. É importante que, uma vez que o sistema 10A atinja um funcionamento equilibrado, de 16 estado estacionário, todos os requisitos de energia térmica, necessários para o funcionamento do sistema, sejam fornecidos sob a forma de subprodutos carregados de COVs gasosos gerados pelos reactores 14 e 16. EXEMPLO 1

Trata-se de um exemplo baseado em computador, hipotético, que utiliza o sistema 10A para a conversão de uma biomassa de aparas de madeira tipica no produto de carvão, e na produção de toda a energia térmica utilizada no funcionamento do sistema, assim que o processo tenha alcançado o funcionamento de estado estacionário.

Referindo a FIG. IA, as localizações A-0 são indicadas em todo o sistema 10A. A legenda a seguir apresenta o equilíbrio massa-energia para o processo nessas localizações respectivas. A- funcionamento do queimador do secador 277.77 Kcal/Kg 197,31 Kg/h de COVs 64,482 Kw/h

B- ar de combustão para o queimador do secador 3.953, 57 m3/h 0°C 40% de ar em excesso C- alimentação de biomassa para o secador 1.950,45 Kg/h total 1.072,75 Kg/h de sólidos 877,70 Kg/h de água D- gases quentes para o secador 18.968 m3/h 9.818,91 Kg/h 17

648, 18 Kw/h 410 °C E- saída do secador 1.105.86 Kg/h total 1.072.75 Kg/h de sólidos

33.11 Kg/h de água 43,33°C

F- gases de exaustão ventilados 13.592,08 m3/h 110°C G- entrada do reactor de torrefacção 1.105.86 Kg/h total 1.072.75 Kg/h de sólidos 33.11 Kg/h de água H- exaustão para a atmosfera 7.126 m3/h 3.688,61 Kg/h 806.56 Kw/h

815.56 °C I- queimador do reactor 4.055,52 Kcal/Kg 329,94 Kcal/h de COV 2.803,92 Kw/h J- COVs para o queimador do secador 182,34 Kg/h 14,97 Kg/h de água

K- ar de combustão para o queimador do reactor 11.538 m3/h 0°C 40% de ar em excesso L- COVs para o queimador do reactor 578,78 Kg/h 18 14,97 Kg/h de água M- biomassa torrada do reactor de torrefacção 908.55 Kg/h total 2% de água

232.22 °C N- saída carbonizada do reactor de carbonização 314.79 Kg/h total 1% de água

315.55 °C O- saída carbonizada arrefecida 314.79 Kg/h total 1% de água

132.22 °C A entrada de gás quente na linha 174 foi de 328,33 °C, e o secador 12 funcionou a uma potência de 709,30 KW/h, a fim de evaporar 844, 59 Kg/h de água a partir do fornecimento de biomassa. A entrada de gás quente na conduta 184 foi de 378,33 °C, e o reactor de torrefacção 14 operou a uma potência de 0,779 Kcal/h para desenvolver COVs a partir da biomassa seca para gerar o produto de saída torrado. O gás quente em linha 190 estava a 456,66 °C, e o reactor 16 operou a uma potência de 442,88 Kw/h.

Considerando-se um funcionamento de 8000 horas/ano do sistema 10A a produção anual do produto carvão carbonizado final seria 2776 toneladas, com 6,20 toneladas de biomassa de partida produzindo 1 tonelada do produto final.

Sistema 10B para a Produção de Produtos Torrados (Figura 1B)

Referindo a FIG. 1B, o sistema 10B utiliza muitos dos componentes do sistema 10a e, consequentemente, quando apropriado, serão utilizados os mesmos números de referência 19 e as descrições acima mencionadas. Dado que o sistema 10B produz apenas produtos torrados, não emprega o reactor de carbonização secundário 16 e os componentes associados. Além disso, os sólidos do ciclone 178 são separados, com uma fracção fornecida ao reactor 14, e uma outra fracção fornecida ao queimador 18 e ao queimador 20, como uma fonte de combustível.

Em detalhe, a saída de sólidos da conduta 182 a partir do ciclone 178 é dividida utilizando uma conduta 198 equipada com uma câmara de ar 199 para fornecer uma fracção da mesma para a unidade de entrada 32 do reactor 14 para fornecer o produto torrado, sendo o restante do mesmo transportado através da conduta 100; esta fracção de sólidos é de novo dividida usando condutas 102 e 104, para o fornecimento do produto sólido para os queimadores 18 e 20, respectivamente, para fornecer o combustível para os mesmos. O produto torrado do reactor 14 é fornecido através da linha 106 para o arrefecimento e recuperação do mesmo. Mais uma vez, as câmaras de ar 82, 167, e 199 evitam a entrada de ar ambiente para dentro do reactor 14. 0 sistema 10B seca, assim, sequencialmente, e torra a biomassa de entrada, e produz ambas as correntes de COVs gasosos e de combustível de biomassa seca sólida que fornecem uma quantidade substancial da energia térmica utilizada no processo em condições de funcionamento de estado estacionário. EXEMPLO 2

Trata-se de um exemplo baseado em computador, hipotético, que utiliza o sistema 10B para a conversão de uma biomassa de aparas de madeira típica no produto torrado, e na produção de energia térmica utilizada no funcionamento do 20 sistema, uma vez que o processo tenha alcançado o funcionamento de estado estacionário.

Referindo a FIG. 1B, as localizações A'-M' são indicadas através de todo o sistema 10. A legenda seguinte apresenta o equilíbrio massa-energia para o processo nessas respectivas localizações. A'- funcionamento do queimador do secador 4.444.44 Kcal/Kg de biomassa seca 164,2 Kg/h de biomassa seca 850,56 Kw/h

B'- ar de combustão para o queimador do secador 2.078,1 m3/h 0°C 175% de ar em excesso C'- fornecimento de biomassa ao secador 1.950.45 Kg/h total 1.072.75 Kg/h de sólidos 877,7 Kg/h de água

D'- gases quentes para o secador 3.605,30 m3/h 2.669,39 Kg/h 146,65 Kw/h 204,44 °C E'- saída do secador 1.105,86 Kg/h total

1.072.75 Kg/h de sólidos 33,11 Kg/h de água 43,33 °C

F'- gases de exaustão ventilados 13.592,08 m3/h 110 °C G'- entrada do reator de torrefacção 21 865,90 Kg/h total 840.05 Kg/h de sólidos 25,85 Kg/h de água H'- perda de massa dos COVs 142,88 Kg/h 11,79 Kg/h de água I'- funcionamento do queimador do reactor 4.055,55 Kcal/Kg 329.94 Kcal/h de COV 2.815,63 Kw/h J'- ar de combustão para o queimador do reactor

960.05 m3/h 0°C 175% de ar em excesso K'- produto torrado 711,23 Kg/h total 2% de água

232.22 °C L'- produto torrado arrefecido

711.23 Kg/h total 2% de água 132,22 °C M'- combustível de biomassa seca para os queimadores do secador e do reactor 239.95 Kg/h 3% de água temperatura ambiente A entrada de gás quente na linha 174 foi de 327, 77°C, e o secador 12 funcionou a uma potência de 850,56 Kw/h para evaporar 844,59 Kg/h de água a partir do fornecimento da biomassa. A entrada de gás quente na conduta 184 foi de 22 385°C (725 °F), e o reactor de torrefacção 14 funcionou a uma potência de 0,779 Kcal/h para desenvolver COVs a partir da biomassa seca para gerar o produto de sarda torrado.

Considerando-se uma operação de 8000 horas/ano do sistema 10B, a produção anual do produto final do carvão carbonizado seria de 6273 toneladas.

Sistema 10C para a Produção de ambos os Produtos Torrados e Carvão (Fig. 1C) O sistema 10C é concebido para produzir simultaneamente produtos finais torrados e carbonizados. O sistema tem muitos dos componentes do sistema anteriormente descrito 10A, e determinados componentes do sistema 10B. Por conseguinte, os mesmos números de referência nas Fig. IA e 1B serão utilizados em toda a discussão subsequente. Existem duas diferenças principais entre os sistemas 10A e 10C. A primeira é o fornecimento de um aparelho para a recuperação de uma porção do produto torrado, com a porção restante a ser dirigida para o reactor de carbonização 16 através das pernas da conduta 188a e 188b. A segunda diferença é a utilização de uma porção do produto sólido obtido a partir da sarda do ciclone 178 como uma fonte de combustível sólido para os queimadores do secador e do reactor 18, 20, através das condutas 100, 102, e 104. EXEMPLO 3

Trata-se de um exemplo hipotético, baseado em computador, usando o sistema 10C para a conversão simultânea de uma biomassa de aparas de madeira típica nos produtos torrados e de carvão, e a produção de uma parte substancial da energia térmica utilizada no funcionamento do sistema, uma 23 vez que o processo tenha atingido o funcionamento de estado estacionário.

Referindo a FIG. 1C, as localizações A''-Q'' são indicadas ao longo do sistema 10C. A legenda a seguir apresenta o equilibrio de massa-energia para o processo nessas localizações respectivas.

A1'- queimador do secador - queimador de madeira/COV 4.444.44 KCal/Kg de madeira 105,23 Kg/h de madeira 545,53 Kw/h

B''- ar de combustão 1.211,50 m3/h 0 °C 150% de ar em excesso C''- fornecimento de biomassa para o secador 1.950.45 Kg/h 1.072.75 Kg/h de sólidos 877,70 Kg/h de água

D'1- gases quentes para o secador 7.426,37 m3/h 3.844,65 Kg/h 398,88 KW/h 410 °C E''- saída do secador 1.105,86 Kg/h total 1.072.75 Kg/h de sólidos 33,11 Kg/h de água

3% de humidade 43,33 °C

F'1- gases de exaustão ventilados 13.592,08 m3/h 110°C 24

G''- entrada do reactor de torrefacção 998,36 Kg/h total 3% de água 43,33 °C I''- queimador do reactor - queimador de madeira/COV 4.055,55 Kcal/Kg de COVs 268,07 Kg/h de COVs 4,444,44 Kcal/Kg de madeira 2.27 Kg/h de madeira 1.269,98 Kw/h J''- COVs para queimador do secador 164,65 Kg/h 13,61 Kg/h de água

K''- ar de combustão para o queimador do reactor 5.208,0 m3/h 0 °C 80% de ar em excesso L''- COVs para o queimador do reactor 261.27 Kg/h 6,80 Kg/h de água O''- combustível de madeira para os queimadores 107,50 Kg/h total 0% de água temperatura ambiente P''- sarda do produto torrado 820,09 Kg/h total 2% de água

232.22 °C Q''- produto torrado recuperado 410,05 Kg/h total 2% de água

132.22 °C 25 M1'- saída de biomassa carbonizada

141.97 Kg/h total 1% de água 315,55 °C N1'- saída carbonizada arrefecida

141.97 g/h total 1% de água 132,22 °C A entrada de gás quente para o secador 12 na linha 174 foi de 327,22 °C, e o secador 12 funcionou a uma potência de 944, 42 Kw/h para evaporar 844, 59 Kg/h de água a partir do fornecimento da biomassa. A entrada de gás quente na conduta 184 foi de 403,33 °C, e o reactor de torrefacção 14 funcionou com uma potência de 0,718 Kcal/h para desenvolver COVs provenientes da biomassa seca para gerar o produto de saída torrado. 0 gás quente em linha 190 foi de 447, 78 °C, e o reactor 16 funcionou a uma potência de 410,62 Kw/h.

Considerando-se um funcionamento de 8,000 h/ano do sistema 10C, a produção anual do produto torrado seria de 3.617 toneladas, e a produção do produto carbonizado seria de 1253 toneladas.

Lisboa, 19 de Abril de 2013 26

Claims (9)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Um processo para o tratamento de biomassa contendo constituintes orgânicos combustíveis, caracterizado por compreender os passos de: secagem térmica da referida biomassa para um teor de humidade reduzido, num secador utilizando a saída de gás quente de uma unidade de queimador operado a combustível; torrefacção térmica de pelo menos uma porção da referida biomassa seca num reactor de torrefacção indirecta diferente do referido secador que utiliza a saída de gás quente da referida unidade de queimador, accionado a combustível, para gerar: (1) uma primeira corrente de saída de produto sólido compreendendo biomassa torrada quente; (2) uma primeira corrente de saída gasosa combustível compreendendo uma primeira porção dos constituintes orgânicos combustíveis desenvolvidos a partir da referida torrefacção da referida biomassa, e (3) uma primeira corrente de gás residual proveniente do referido reactor de torrefacção que compreende o gás utilizado para torrar indirectamente a referida biomassa seca; e a carbonização de, pelo menos, uma porção da referida biomassa torrada quente proveniente da referida primeira corrente de produção do produto sólido, num reactor de carbonização indirecta diferente do referido reactor de torrefacção usando uma porção da saída de gás quente da referida unidade de queimador para gerar: (1) uma segunda corrente de saída de produto sólido compreendendo biomassa carbonizada; (2) uma segunda corrente de saída gasosa combustível compreendendo uma segunda porção de constituintes orgânicos combustíveis 1 desenvolvidos a partir da referida carbonização da referida biomassa torrada; e (3) uma segunda corrente de gás residual proveniente do referido reactor de carbonização compreendendo o gás utilizado para carbonizar indirectamente a referida biomassa torrada, sendo os referidos passos de secagem, torrefacção, e carbonização, realizados continuamente.
2. 2. O processo, de acordo com a reivindicação N°.l, caracterizado por incluir o passo de utilização de, pelo menos uma parte, das referidas primeira e segunda correntes de saída de produtos gasosos combustíveis, como, pelo menos, uma parte do combustível para operar a referida unidade do queimador. 3. 0 processo, de acordo com a reivindicação N°.l, caracterizado por incluir o passo de utilizar pelo menos uma parte referida, das referidas primeira e segunda correntes de gás residual, como uma fonte de calor para o referido secador. 4. 0 processo, de acordo com a reivindicação N°.l, caracterizado por incluir a referida unidade de queimador, um queimador do secador operativamente acoplado ao referido secador, e um queimador do reactor acoplado operativamente aos referidos reactores de torrefacção e carbonização, incluindo as etapas de utilização de, pelo menos uma porção da referida primeira corrente de saída de produtos gasosos combustíveis, como, pelo menos uma parte do combustível para operar o referido queimador do secador, e a utilização de pelo menos uma parte da segunda referida corrente de saída do combustível gasoso como pelo menos uma parte do combustível para operar o referido queimador do reactor.
3. 5. O processo, de acordo com a reivindicação N°.l, caracterizado por incluir o passo de recuperação de biomassa 2 torrada do referido reactor de torrefacção, e a recuperação da biomassa carbonizada do referido reactor de carbonização. 6. 0 processo, de acordo com a reivindicação N°.l, caracterizado por incluir o passo de carbonização de substancialmente toda a referida biomassa torrada quente da referida primeira corrente de sarda. 7. 0 processo, de acordo com a reivindicação N°.l, caracterizado por incluir o passo de utilização de porções da referida biomassa seca como combustivel para a referida unidade de queimador. 8. 0 processo, de acordo com a reivindicação N°.l, caracterizado por as referidas primeira e sequnda correntes de saída de produtos gasosos combustíveis fornecerem todos os requisitos de combustível necessários para operar a referida unidade do queimador. 9. 0 processo, de acordo com a reivindicação N°.l, caracterizado por incluir o passo de funcionamento da referida unidade do queimador para criar uma saída de gás quente com uma temperatura de cerca de 204,44 °C a 537,78 °C. 10. 0 processo, de acordo com a reivindicação N°.l, caracterizado por a referida unidade do queimador incluir um queimador do secador operativamente acoplado ao referido secador, e um queimador do reactor acoplado operativamente ao referido reactor de carbonização.
4. 11. O processo, de acordo com a reivindicação N° .1, caracterizado por incluir os passos de torrefacção da referida biomassa seca no referido reactor de torrefacção, por um período de cerca de 5 a 25 minutos, e a carbonização da biomassa torrada quente no referido reactor de carbonização, durante um período de cerca de 5 a 30 minutos.
5. 12. O processo, de acordo com a reivindicação N°.l, caracterizado por o referido reactor de torrefacção ser 3 operável para torrar indirectamente a referida biomassa seca, e o referido reactor de carbonização ser operável para carbonizar indirectamente a biomassa torrada quente proveniente do referido reactor de torrefacção.
6. 13. O processo, de acordo com a reivindicação N°.l, caracterizado por os referidos reactores de torrefacção e carbonização compreenderem, cada um, um invólucro alongado, axialmente rotativo que tem uma entrada e uma saida, um alojamento numa relação de envolvimento com o dito invólucro e que define com o invólucro uma zona de aquecimento indirecto, o referido alojamento incluindo uma entrada para a referida saida de produtos gasosos da referida unidade do queimador, e uma saida para as referidas primeira e segunda correntes de gás residual, respectivamente.
7. 14. Um sistema de tratamento de biomassa, contendo constituintes orgânicos combustíveis, caracterizado por compreender: uma unidade de queimador operada a combustível para gerar o gás de saída quente; um secador acoplado com a referida unidade de queimador e operável para secar a referida biomassa para um teor de humidade reduzido usando gás quente a partir da referida unidade do queimador; um reactor de torrefacção indirecto acoplado com a referida unidade de queimador e secador para receber biomassa seca a partir do secador, o referido reactor de torrefacção operável para torrar a referida biomassa seca usando gás quente a partir da referida unidade de queimador para gerar: (1) uma primeira corrente de saída do produto sólido compreendendo biomassa torrada quente, (2) uma primeira corrente de saída de produtos gasosos combustíveis compreendendo uma primeira porção dos componentes orgânicos 4 combustíveis desenvolvidos a partir da referida torrefacção da referida biomassa; e (3) uma primeira corrente de gás residual proveniente do referido primeiro reactor de torrefacção que compreende o gás utilizado para torrar indiretamente a referida biomassa seca; e um reactor de carbonização indirecta acoplado à referida unidade do queimador e ao referido reactor de torrefacção, o referido reactor de carbonização operável para carbonizar pelo menos uma parte da dita biomassa torrada quente da referida primeira corrente de saída sólida usando gás quente a partir da referida unidade de queimador para gerar: (1) uma segunda corrente de saída de produto sólido compreendendo biomassa carbonizada, (2) uma segunda corrente de saída de produtos gasosos combustíveis compreendendo uma segunda porção dos constituintes orgânicos combustíveis desenvolvidos a partir da referida carbonização da referida biomassa torrada, e (3) uma segunda corrente de gás residual a partir do referido reactor de carbonização que compreende o gás utilisado para carbonizar indiretamente a referida biomassa torrada. 15. 0 sistema, de acordo com a reivindicação N°.14, caracterizado por a referida unidade do queimador incluir um queimador do reactor acoplado operativamente com o referido secador e um queimador do reactor acoplado operativamente com os referidos reactores de torrefacção e carbonização, respectivamente. 16. 0 sistema, de acordo com a reivindicação N°.14, caracterizado por incluir o aparelho para transportar pelo menos uma parte das referidas primeira e segunda correntes de saída de produtos gasosos combustíveis, para a referida unidade do queimador, para servir como combustível para a unidade do queimador. 5 17. 0 sistema, de acordo com a reivindicação N°.14, caracterizado por incluir o aparelho para transportar, pelo menos uma parte, das referidas primeira e segunda correntes de gases residuais para o referido secador, como fonte de calor para o secador.
8. 18. O sistema, de acordo com a reivindicação N°.14, caracterizado por incluir uma primeira unidade de recuperação para a recuperação da biomassa torrada do referido reactor de torrefacção, e uma segunda unidade de recuperação para a recuperação da biomassa carbonizada do referido reactor de carbonização.
9. 19. O sistema, de acordo com a reivindicação N°.14, caracterizado por os referidos reactores de torrefacção e carbonização compreenderem, cada um, um invólucro alongado, axialmente rotativo que tem uma entrada e uma sarda, um alojamento numa relação de envolvimento com o referido invólucro e definindo com o invólucro uma zona de aquecimento indirecto, o referido alojamento incluindo uma entrada para a referida sarda gasosa da referida unidade do queimador, e uma sarda para as referidas primeira e segunda correntes de gás residual, respectivamente. Lisboa, 19 de Abril de 2013 6