PT108816B

PT108816B - Instalação para realização de um processo de conversão de materiais lignocelulósicos em biocombustível líquido

Info

Publication number: PT108816B
Application number: PT108816A
Authority: PT
Inventors: Carlos Moura Bordado João; Margarida Pires Dos Santos Mateus Maria; Miguel Galhano Dos Santos Lopes Rui; Manuel Correia Salva João; Maria Jesus De Sequeira Serra Nunes Angela; Guilherme Santos Marta Ferreira Cachaço André; Pós De Mina Bernardina; Joana Castelo Branco De Assis Teixeira Neiva Correia Maria
Original assignee: Cmp-Cimentos Maceira E Pataias , S.A.
Priority date: 2015-09-11
Filing date: 2015-09-11
Publication date: 2021-01-11
Also published as: PT108816A

Abstract

A PRESENTE INVENÇÃO DIVULGA UMA INSTALAÇÃO PARA REALIZAÇÃO DE UM PROCESSO DE CONVERSÃO DE MATERIAIS LIGNOCELULÓSICOS EM BIOCOMBUSTÍVEL LÍQUIDO QUE COMPREENDE, O PRÉ-TRATAMENTO DE MATERIAIS LIGNOCELULÓSICOS, POR AMOLECIMENTO ATRAVÉS DE UM SOLVENTE ORGÂNICO REACIONAL QUE SE ENCONTRA NUMA QUANTIDADE DIFERENTE DE ZERO E ATÉ 25% DE BIOMASSA INSERIDA, A ADIÇÃO GRADUAL DE UM CATALISADOR ÁCIDO À PASTA OBTIDA, A ENTRADA DA MISTURA ANTERIOR NUM REACTOR, A FILTRAÇÃO A QUENTE DA MISTURA REACCIONAL E A REINTRODUÇÃO DAS PARTÍCULAS RESULTANTES DA FILTRAÇÃO NO REACTOR; A INSTALAÇÃO COMPREENDE UMA CALDEIRA (1), UM REACTOR (2) COM AGITADOR, UM PARAFUSO DE AMOLECIMENTO (3), DUAS TREMONHAS (4,5), UM TANQUE DE SOLVENTES (6), UM CONDENSADOR (8), SUPORTES DE TREMONHAS (9,10), SUPORTES (11) DO PARAFUSO DE AMOLECIMENTO (3), UM TANQUE DE CONDENSADOS COM (12) E UM FILTRO DE PARTÍCULAS (13).

Description

DESCRIÇÃO

INSTALAÇÃO PARA REALIZAÇÃO DE UM PROCESSO DE CONVERSÃO DE MATERIAIS LIGNOCELULÓSICOS EM BIOCOMBUSTÍVEL LÍQUIDO

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção insere-se no campo dos combustíveis, mais especificamente no campo dos bioscombustiveis avançados. É proposta na presente invenção instalação para realização de um processo de conversão de materiais lignocelulósicos em biocombustível líquido, através de transformação de biomassa com origem lignocelulósica.

ESTADO DA TÉCNICA DA INVENÇÃO mercado actual de combustíveis encontra-se relutante quanto à introdução de biocombustíveis em relação aos tradicionais combustíveis fósseis. Esta resiliência devese aos custos de produção dos processos actuais para a obtenção de biocombustíveis e à sua performance.

Pretende-se com presente invenção obter biocombustível estável e de elevado poder calorífico e utiliza a biomassa disponível sob a forma de resíduos lignocelulósicos, plásticos e borrachas.

No que diz respeito à procura de alternativas inovadoras para a reutilização de resíduos observa-se que nas últimas décadas tem existido um acréscimo da exploração via extracção química e/ou conversão reaccional de potenciais compostos incluídos na sua composição química destas fontes de natureza renovável.

estado da técnica mais próximo da invenção é o documento de patente WO2014200330A1, o qual divulga uma instalação para realizar o processo de conversão de materiais em combustível líquido que compreende uma caldeira, um reator de extrusão, uma tremonha, um sistema de catalisadores, uma unidade de matéria-prima, um tanque armazenamento e um tanque de colheita. Difere da presente invenção uma vez que na instalação objeto da presente invenção o reator apresenta uma camisa externa com serpentinas, uma cabeça toroesférica e fundo duplamente copado e um agitador mecânico tipo turbina de pás em aço inox, que o filtro é do tipo cestas e que a instalação possui um parafuso de amolecimento, o qual apresenta dupla camisa com sistema de injeção de vapor e doseadores contínuos uma tremonha adicional, um reservatório de solventes, um condensador, suportes de tremonhas, suporte de parafuso de amolecimento e um tanque de condensados. Sendo que esta diferença permite que se torne a reação de liquefação mais rápida e eficaz, aumentando a rentabilidade da conversão e reduzindo os tempos reacionais, e que permita a otimização do produto final em termos de estabilidade (poder calorífico situado no intervalo de 4500-9500 kcal.kg1) e pureza (teores de humidade e cinzas inferiores a 1%).

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

A invenção será melhor entendida fazendo referência aos exemplos e figuras que se seguem. Os exemplos e figuras não são intencionados para limitar o âmbito da invenção.

Fig. 1.1 - representa uma perspetiva da instalação adequada à realização do processo da presente invenção com os seus principais componentes;

Fig. 1.2 - representa o alçado principal da instalação adequada à realização do processo da invenção;

Fig. 2.1 - representa uma vista externa do reactor (2);

Fig. 2.2 - representa uma vista interna do reactor (2);

Fig. 3.1 - representa uma perspetiva do conjunto do parafuso de amolecimento (3);

Fig. 3.2 - representa o alçado principal do conjunto do parafuso de amolecimento (3).

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

A presente invenção diz respeito a uma instalação para realização de um processo de conversão de materiais de carácter lignocelulósico que podem ou não conter plásticos e borrachas, por liquefação catalítica ácida no caso da fase orgânica e posterior dissolução em óleo para o caso dos plásticos e borrachas. 0 produto resultante da realização do processo na instalação reivindicada é um biocombustivel estável com um poder calorífico situado no intervalo de 45009500 kcal.kg^-1, com teores de humidade e cinzas inferiores a 1%.

Na instalação o processo utiliza a liquefacção ácida de derivados lignocelulósicos e aplica um prétratamento por amolecimento da mistura inicial de forma a potenciar a reação, com quantidades reduzidas de solvente, numa primeira reacção, e em reacções subsequentes o solvente reacional será o produto resultante do processo aqui reivindicado.

O produto final liquefeito possuiu um carácter ambiental e económico atractivo como biocombustivel, podendo ser usado como alternativa a semelhantes obtidos por fontes petroquímicas.

DESCRIÇÃO PORMENORIZADA DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se a uma instalação para realização de um processo de conversão de materiais lignocelulósicos com ou sem plásticos e borrachas, em biocombustivel líquido. 0 processo de conversão compreende as seguintes etapas: numa primeira fase procede-se ao prétratamento por amolecimento de materiais lignocelulósicos, materiais estes contêm eventualmente, misturas de plásticos ou borrachas. Este amolecimento é tecnicamente designado de swelling. 0 amolecimento dos referidos materiais é realizado com um solvente orgânico reaccional que contempla, um ou mistura de dois álcoois polihídricos, ou o próprio produto resultante da liquefacção. Este pré-processamento ao favorecer o amolecimento do material, facilita o efeito de ataque do catalisador que irá então provocar a quebra das membranas celulósicas e lignocelulósicas, liquefazendo o material. 0 pré-tratamento tem uma duração variável dependendo das condições de temperatura e dos volumes envolvidos. 0 swelling confere ainda maior conversão reacional à liquefação e em tempos mais curtos.

Os materiais lignocelulósicos começam a liquefazer após este amolecimento, sendo transformados numa pasta que irá dar entrada num reactor (2).

A esta pasta é adicionado gradualmente um catalisador ácido, mistura esta que será posteriormente transferida para um reactor (2) que se encontra a uma temperatura entre os 130° e os 250°C, sob agitação.

Os materiais lignocelulósicos podem ou não conter plásticos e borrachas.

A reação ocorre então no reator da instalação, onde se encontra o solvente reaccional numa quantidade diferente de zero e até 50% relativamente á quantidade de materiais lignocelulósicos com ou sem plásticos e borrachas.

O solvente reaccional é tipicamente o próprio liquefeito da reacção ou álcoois polihidricos ou misturas de ambos, ou ainda misturas destes álcoois com óleos vegetais ou minerais, caso os materiais lignocelulósicos apresentem plásticos.

Na presente invenção os solventes ou misturas de solventes são escolhidos entre óleo mineral, óleo vegetal, eventualmente já usados e dietileno glicol, 2-etilhexanol e isofol, ou o próprio liquefeito e de entre outros possíveis.

Os catalisadores são escolhidos entre o ácido sulfúrico, ácido p-toluenosulfónico, ácido tricloro isocianúrico, cloreto de alumínio ou trifluorometanosulfonato de índio (III) e em quantidades entre 0.01% e 3% (m/m).

Os materiais lignocelulósicos que englobam, madeira, resíduos florestais, cortiça, resíduos agrícolas, resíduos da indústria do papel, resíduos de construção, lamas de etar humanas e provenientes de porco, resíduos urbanos, e todos os materiais que englobem na sua composição celulose, lignina e hemicelulose.

Os materiais lignocelulósicos utilizados neste processo encontram-se sob a forma de partículas com dimensões compreendidas dentro do intervalo 0.Imm a lOOmm.

O processo da presente invenção pode não recorrer ao uso de ultrassons, para quebrar as membranas celulósicas dos materiais lignocelulósicos.

A taxa de conversão atingida sob as condições expostas e ao fim de 6 min a Ih, encontra-se entre os 85%99%.

Por fim, procede-se à filtração da mistura reaccional a quente por forma a remover partículas sólidas de carácter inorgânico ou orgânicas ainda não convertidas pelo processo reacional reivindicado.

Estas partículas são novamente reintroduzidas no reactor onde serão expostas a novo processo de liquefação, ocorrendo nova reacção em conjunto com uma nova mistura de materiais lignocelulósicos com ou sem plásticos ou borrachas, solvente e catalisador reacional, repetindo-se o processo em contínuo.

A instalação para realização do processo quer para elaboração em batch conforme descrito nos exemplos abaixo, quer para elaboração em contínuo. Efetivamente e de acordo com a figura 1.2 é possível produzir este biocombustível de acordo com a metodologia descrita adaptada à produção industrial em batch e em contínuo.

A produção em contínuo é conseguida através do parafuso de amolecimento (3) , parafuso sem fim de dupla camisa, equipamento especialmente desenvolvido para este efeito.

Nesta instalação o processo será iniciado com a descarga e armazenamento dos materiais lignocelulósicos, com granulometria entre 0.1 e 100 mm, à tremonha (4), que irá dar entrada no parafuso de amolecimento (3) . Em simultâneo, é acrescentado o catalisador ácido na tremonha (5), formando-se uma pasta. E, também em simultâneo, é injectado no parafuso de amolecimento (3) à pasta formada pela mistura material lignocelulósico/catalisador, o solvente ou mistura de solventes, que se encontra armazenada no tanque de solventes (6) .

Através de uma válvula rotativa, o catalisador é doseado e acrescentado ao resíduo na proporção pretendida.

parafuso de amolecimento (3) é considerado um componente do equipamento muito relevante, pois é ele o responsável pelo transporte da mistura reacional até ao reator (2) e onde ocorre durante este período o prétratamento de swelling. 0 parafuso de amolecimento (3) apresenta uma dupla camisa com um sistema de injecção de vapor e doseadores contínuos, que injectam e doseam o material lignocelulósico, ou biomassa, o catalisador e o solvente.

Em simultâneo, ocorre um pré-aquecimento da mistura com a passagem em contracorrente dos vapores formados na reação potenciando o pré-tratamento dos materiais lignocelulósicos por swelling.

A elaboração em contínuo é obtida por uma alimentação em contínuo ao parafuso de amolecimento (3) de velocidade variável onde é adicionada desde logo parte do solvente e o catalisador, iniciando, pelo efeito do calor aproveitado o amolecimento do material e o início do processo.

A injeção de solventes no parafuso de amolecimento (3) ocorre através de uma série de injectores. Este sistema é importante para que a nebulização de solvente seja efetuada de uma forma automática no interior do parafuso de amolecimento (3) .

O reator (2) apresenta uma cabeça toroesférica e um fundo duplamente copado ou auto limpante, com agitador. Este tipo de fundo tem como finalidade evitar a acumulação de matéria sólida ao longo da reação, provocando a sua constante movimentação provocada pelo agitador. A agitação do reator é efetuada com um agitador mecânico do tipo turbina de pás em aço inox, que permitirá uma boa homogeneização da mistura reacional. Pode conter ainda um sistema de sonda de ultrassons que será usado em caso de necessidade.

A reação que ocorre é endotérmica, pelo que existe a necessidade de fornecer calor para que esta ocorra. Assim, o reactor (2) apresenta um sistema de serpentinas (14) com óleo térmico, proveniente de uma unidade de calor, a caldeira (D .

Para um maior aproveitamento do calor proveniente da caldeira (1), o reator (2) apresenta uma camisa externa onde circulam os gases de combustão antes de serem enviados para atmosfera.

Dado os materiais lignocelulósicos apresentarem teor de humidade, existe a libertação de vapor. Este vapor é utilizado para pré-aquecer a alimentação no parafuso de amolecimento (3) antes da mistura reacional ser adicionada ao reator (2) . Se o teor em humidade dos resíduos for elevado, existe a necessidade de recorrer a um condensador (8) para condensação do restante vapor. Estes condensados são armazenados no tanque de condensados (12).

Com a abertura da válvula de fundo, o conteúdo do reator passa por um filtro de partículas (13), do tipo cestas auto limpante. Este filtro de partículas (13) tem uma importância fundamental, pois o processo de separação do material ainda não liquefeito do seio reacional permite concluir acerca da extensão da reação, isto é, se ainda existir muito material sólido, a conversão de liquefação ainda não ocorreu totalmente.

Neste caso, o resíduo que ainda não está liquefeito é realimentado ao reator (2), enquanto a fase líquida é injetada no parafuso de amolecimento (3) de forma a prétratar o resíduo entretanto alimentado à tremonha (4), ocorrendo o swelling tornando o seu funcionamento contínuo.

produto resultante do processo reivindicado na presente invenção é um biocombustível estável com um poder calorífico situado no intervalo de 4500-9500 kcal.kg¹, com teores de humidade e cinzas inferiores a 1%.

A instalação divulgada na presente invenção poderá ser uma instalação fixa instalada junto à fonte produtora dos materiais lignocelulósicos ou fixa em instalação fabril, ou em alternativa pode ser uma instalação móvel acoplada a um contentor com cerca de 12 metros.

Objectos da invenção

O objecto da presente invenção é a instalação para realização do processo descrito que compreende, pelo menos, uma caldeira (1), um reactor (2) com agitador, um parafuso de amolecimento (3), duas tremonhas(4,5) , um reservatório de solventes (6), um condensador (8), suportes de tremonhas (9,10), suporte (11) de parafuso de amolecimento (3), um tanque de condensados com (12) e um filtro de partículas (13) .

Num modo de realização preferido, o reactor (2) apresenta uma sonda de ultrassons.

Noutro modo de realização preferido, o reactor (2) não apresenta uma sonda de ultrassons.

Preferencialmente, o parafuso de amolecimento (3) tem dupla camisa com sistema de injecção de vapor e doseadores contínuos.

De preferência, o reactor (2) apresenta uma camisa externa com serpentinas (14), tem cabeça toroesférica e fundo duplamente copado e contém um agitador mecânico tipo turbina de pás em aço inox.

Vantajosamente, o filtro de partículas (13) é do tipo cestas.

Num modo de realização preferido, a instalação é uma instalação fixa instalada junto à fonte produtora ou em instalação fabril.

Noutro modo de realização preferido, a instalação é uma instalação móvel integrado num contentor.

Para melhor entendimento refere-se que o processo de conversão de materiais lignocelulósicos num biobiocombustível líquido compreende os seguintes passos:

a) Pré-tratamento de materiais lignocelulósicos, por amolecimento através de um solvente orgânico reacional que se encontra numa quantidade diferente de zero e até 25% de biomassa inserida;

b) Adição gradual de um catalisador ácido à pasta obtida no passo a);

c) Entrada da mistura do passo b) num reactor que se encontra a uma temperatura entre os 130° e os 250°c, sob agitação;

d) Filtração a quente da mistura reaccional do passo c);

e) Reintrodução das partículas resultantes da filtração do passo d) no reactor.

Preferencialmente, os materiais lignocelulósicos encontram-se na forma de partículas com uma granulometria entre 0,1 mm e 100 mm.

Num modo de realização preferido, os materiais lignocelulósicos não contêm plásticos ou borrachas.

Num outro modo de realização, os materiais lignocelulósicos contêm plásticos ou borrachas.

De preferência, o catalisador é escolhido entre o ácido sulfúrico, ácido p-toluenosulfónico, ácido tricloro isocianúrico, cloreto de alumínio ou trifluorometanosulfonato de índio (III) e em quantidades entre 0.01% e 3% (m/m), em percentagem de massa do catalisador relativamente à massa total da mistura reacional.

Vantajosamente, os materiais lignocelulósicos são escolhidos entre madeira, resíduos florestais, cortiça, resíduos agrícolas, resíduos da indústria do papel, resíduos de construção, lamas de etar humanas e provenientes de porco, resíduos urbanos, e materiais que englobem na sua composição celulose, lignina e hemicelulose.

Num modo vantajoso, o solvente reaccional é escolhido entre o próprio liquefeito da reacção, álcoois polihidricos, misturas de ambos e misturas destes álcoois com óleos vegetais ou minerais.

De preferência, os álcoois polihidricos são escolhidos entre dietileno glicol, 2-etilhexanol e isofol e de entre outros possíveis.

Exemplos

Exemplo 1

Numa primeira parte, procedeu-se ao pré-tratamento por swelling de 1000 kg de biocombustível derivado de resíduos com 7 0% de humidade, com uma mistura de solventes 150 kg de óleo vegetal, 135 kg de dietilenoglicol e 15 kg de 2-EtilHexanol. O pré-tratamento por swelling foi efectuado num espaço temporal de 1 h tendo sido adicionado gradualmente com o catalisador, 9 kg de ácido p-toluenosulfónico, ao vaso reaccional que se encontrava à temperatura máxima de 160°C, sob agitação mecânica. A taxa de conversão atingida sob as condições expostas e ao fim de 0.2 h encontra-se entre os 75%-95%. Por fim, procede-se à filtração da mistura reaccional a quente por forma a remover algumas partículas sólidas inorgânicas e/ou que não reagiram. Toda a água existente no biocombustível derivado de resíduo inicial foi retirada durante o processo reaccional obtendo-se um produto com teor de humidade inferior a 1%.

Exemplo 2

Numa primeira parte, procedeu-se ao pré-tratamento por swelling de 1000 kg de lamas provenientes de estação de tratamento de águas residuais urbanas com teor de humidade de 80%, com uma mistura de solventes 180 kg de dietilenoglicol e 20 kg de 2-Etil-Hexanol. O pré-tratamento por swelling foi efectuado num espaço temporal de 0.5h tendo sido adicionado gradualmente com o catalisador, 15 kg de ácido ptoluenosulfónico, ao vaso reaccional que se encontrava à temperatura máxima de 160°C, sob agitação mecânica. A taxa de conversão atingida sob as condições expostas e ao fim de 0.2 h encontra-se entre os 90%-95%. Por fim, procede-se à filtração da mistura reaccional a quente por forma a remover algumas partículas sólidas inorgânicas e/ou que não reagiram.

Exemplo 3

Numa primeira parte, procedeu-se ao pré-tratamento por swelling de 1200 kg de pó de cortiça, com uma mistura de solventes 200 kg de dietilenoglicol e 600 kg de 2-EtilHexanol. O pré-tratamento por swelling foi efectuado num espaço temporal de 0.5h tendo sido adicionado gradualmente com o catalisador, 20 kg de ácido tricloro isocianúrico, ao vaso reaccional que se encontrava à temperatura máxima de 150°C, sob agitação mecânica. A taxa de conversão atingida sob as condições expostas e ao fim de 0.3 h encontra-se entre os 60%-80%. Por fim, procede-se à filtração da mistura reaccional a quente por forma a remover algumas partículas sólidas inorgânicas e/ou que não reagiram. Toda a água existente no pó de cortiça inicial foi retirada durante o processo reaccional obtendo-se um produto com teor de humidade inferior a 1%.

Exemplo 4

Numa primeira parte, procedeu-se ao pré-tratamento por swelling de 1000 kg de biocombustível derivado de resíduos com 7 0% de humidade, com uma mistura de solventes 150 kg de óleo vegetal, 135 kg de produto liquefeito, obtido pelo novo processo de liquefacção e/ou dissolução reivindicado nesta patente, e 15 kg de 2-Etil-Hexanol. O pré-tratamento por swelling foi efectuado num espaço temporal de 1 h tendo sido adicionado gradualmente com o catalisador, 9 kg de ácido p-toluenosulfónico, ao vaso reaccional que se encontrava à temperatura máxima de 160°C, sob agitação mecânica. A taxa de conversão atingida sob as condições expostas e ao fim de 0.2 h encontra-se entre os 75%-95%. Por fim, procede-se à filtração da mistura reaccional a quente por forma a remover algumas partículas sólidas inorgânicas e/ou que não reagiram. Toda a água existente no biocombustivel derivado de resíduo inicial foi retirada durante o processo reaccional obtendo-se um produto com teor de humidade inferior a 1%.

Como será evidente a um perito na arte, são possíveis, várias alterações de pormenor, as quais, contudo devem ser incluídas no âmbito da presente invenção.

A presente invenção deve apenas ser limitada pelo espírito das reivindicações que se seguem.

BIBLIOGRAFIA

H. Pan, Renewable and Sustainable Energy Reviews 15 (7)

p.3454, 2011

G. Alexandro, C. C. Pinto, J. Joaquim, P. Neto and Carlos, WO Patente n° 2010/020903, Fevereiro, 2010

- 19 M. Kunaver, Ν. Cuk, Ε. Ukaityte, F. Kovac, R.

T. Katrasnik, patente WO 2012/150043

Lisboa, 09 de dezembro de 2020

S. Opresnik

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Instalação para realização do processo de conversão de materiais lignocelulósicos em biocombustivel liquido a qual apresenta pelo menos uma caldeira (1) e caracterizada por compreender:

a) uma tremonha (4) para descarga e armazenamento dos materiais lignocelulósicos;

b) uma tremonha adicional tremonha (5) para adição de um catalisador ácido;

c) um parafuso de amolecimento (3) para injecção de solvente ou mistura de solventes à pasta formada pela mistura material lignocelulósico/catalisador e transporte da mistura reacional até um reator (2), esse parafuso de amolecimento (3) apresenta dupla camisa com sistema de injecção de vapor e doseadores contínuos;

d) reactor (2), esse reactor (2) apresentando uma camisa externa com serpentinas (14) ter cabeça toroesférica e fundo duplamente copado e por conter um agitador mecânico tipo turbina de pás em aço inox;

e) um reservatório de solventes (6);

f) um condensador (8);

g) suportes de tremonhas (9,10);

h) suporte (11) de parafuso de amolecimento (3);

i) um tanque de condensados com (12); e

j) um filtro de partículas (13) do tipo cestas auto limpante para filtração da mistura reaccional separando o material ainda não liquefeito do seio reacional.
2. Instalação de acordo com a reivindicação 1 caracterizada caracterizado por o reactor (2) apresentar uma sonda de ultra-sons para quebrar as membranas celulósicas dos materiais lignocelulósicos.
3. Instalação de acordo com a reivindicação 1 caracterizada por ser uma instalação fixa instalada junto à fonte produtora ou em instalação fabril.
4. Instalação de acordo com a reivindicação 3 caracterizada por ser uma instalação móvel integrada num contentor.

Lisboa, 09 de dezembro de 2020