PT116553B - Processo de combustão e pirólise de biomassa assistida por radiação eletromagnética - Google Patents

Processo de combustão e pirólise de biomassa assistida por radiação eletromagnética Download PDF

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Claudino De Pinho Cardoso José
Do Carmo Lima Correia Eliana
Lora Da Silva Estelina
Jorge César Dos Santos Mário
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Univ Aveiro
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Abstract

A PRESENTE INVENÇÃO DIZ RESPEITO A UM PROCESSO DE COMBUSTÃO DE BIOMASSA, COM EFICIÊNCIA INCREMENTADA, O QUAL PROPORCIONA A REDUÇÃO DA EMISSÃO DE GASES POLUENTES PARA A ATMOSFERA. O PROCESSO DA PRESENTE INVENÇÃO COMPREENDE O CONJUNTO DA ADIÇÃO DE CATALISADORES NA BIOMASSA, A APLICAÇÃO DE RADIAÇÃO DE MICRO-ONDAS DURANTE O PROCESSO DE COMBUSTÃO DA BIOMASSA, A UTILIZAÇÃO DA CINZA, RESULTANTE DO PROCESSO DE COMBUSTÃO E PIRÓLISE DA BIOMASSA, E A ADIÇÃO DE AGENTES DE DESSULFURIZAÇÃO, PARA REDUÇÃO DOS GASES TÓXICOS. A PRESENTE INVENÇÃO ENCONTRA-SE NA ÁREA TÉCNICA DOS PROCESSOS DE COMBUSTÃO DE BIOMASSA, EM PARTICULAR DAS TECNOLOGIAS RELACIONADAS COM A PRODUÇÃO DE ENERGIA A PARTIR DE BIOMASSA E REDUÇÃO DE EMISSÕES DE GASES PARA A ATMOSFERA, COM APLICAÇÃO A RESÍDUOS INDUSTRIAIS E/OU DOMÉSTICOS.

Description

DESCRIÇÃO
PROCESSO DE COMBUSTÃO E PIRÓLISE DE BIOMASSA ASSISTIDA POR RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA
Domínio técnico da invenção
A presente invenção diz respeito a processos de catálise, combustão e pirólise de biomassa com o objetivo de reduzir a emissão de gases poluentes, libertados para a atmosfera durante a combustão, criando assim um processo de combustão mais eficiente e consequentemente com menor impacto ambiental.
processo da presente invenção compreende a adição de catalisadores na biomassa, tais como catalisadores à base de compósitos cerâmicos e alótropos de grafeno; a aplicação de radiação de micro-ondas durante o processo de combustão; bem como a utilização da cinza (cuja composição química tem óxidos metálicos) resultante do processo de combustão e pirólise da biomassa e de agentes de dessulfurização, como efetivos agentes catalíticos no processo de redução dos gases tóxicos emitidos no processo de combustão da biomassa ou na queima de resíduos domésticos, industriais e hospitalares, inclusive em processo de incineração deste tipo de resíduos.
A presente invenção encontra-se na área técnica dos processos de combustão de biomassa, em particular das tecnologias relacionadas com a produção de energia a partir de biomassa e redução de emissões de gases para a atmosfera, com aplicação a resíduos industriais e/ou domésticos.
Antecedentes da Invenção
A procura por fontes de energia alternativas aos combustíveis fósseis, caracterizados por serem muito poluentes, com emissão de gases que intensificam o efeito de estufa, que contribui para o aquecimento global, tem vindo a ser prioritária, com a biomassa a afirmar-se como uma forte alternativa.
As pellets, biomassa resultante dos desperdícios da indústria transformadora da madeira tais como lenha, serrim, ramos e casca de árvore, entre outros, é uma fonte de energia renovável fundamental. Em substituição da utilização dos combustíveis fósseis, as pellets são um recurso energético renovável com um enorme potencial na produção de eletricidade e calor.
Contudo, a queima de pellets apresenta aspetos negativos que não estimula favoravelmente a sua competitividade, tais como a sua baixa densidade energética quando se consideram as exigências de energia por parte das indústrias. Há ainda que considerar a libertação de matéria particulada e de gases poluentes, tais como o CO, S0x e N0x, prejudiciais à saúde humana.
A adição de aditivos à biomassa é algo usual; por exemplo, a adição de aglomerantes (como o amido) é uma técnica vulgarmente utilizada durante o processo de produção das pellets, de forma a lhes conferir maior resistência.
Também é possível encontrar no mercado pellets aditivadas com sulfato de amónio e ureia, vulgarmente designadas de pellets de limpeza, que se destinam essencialmente a decompor e a eliminar as incrustações de alcatrão e a fuligem acumulada nas salamandras, recuperadores de calor e caldeiras, funcionando como complemento à limpeza mecânica.
No que concerne à aplicação de radiação eletromagnética durante o processo de combustão e pirólise da biomassa, pode referirse o documento US 7468171, o qual faz referência a um processo para decompor óxidos de azoto em moléculas de azoto e oxigénio. Neste processo, para além da ação da radiação de micro-ondas, inclui-se ainda um catalisador (platina, paládio, ródio, prata e ouro), um óxido metálico (óxido de alumínio, óxido de césio, óxido de titânio, óxido de zircônio e óxido de silício), havendo também a possibilidade de se utilizar metais como ferro, cobre, níquel e manganês.
documento PCT/US2006/003346 faz referência a um processo para decompor compostos de enxofre. Para além da ação da radiação de micro-ondas, o processo inclui um catalisador, que pode ser de platina, paládio, ródio, prata ou ouro; um metal alcalino, que pode ser sódio, magnésio, potássio, cálcio, rubídio, estrôncio, césio ou bário; um óxido metálico, que pode ser óxido de alumínio, óxido de césio, óxido de titânio, óxido de zircônio ou óxido de silício; e ainda elementos metálicos como o ferro, cobre, níquel ou manganês.
Estes dois processos, descritos anteriormente, têm em comum recorrer à utilização de metais nobres, dispendiosos, tais como paládio, platina, prata e ouro. Acresce ainda que ambos os processos estão direcionados para a decomposição de compostos únicos (o primeiro processo para N0x e o segundo processo para S0x) - catálise seletiva.
Desta forma, é desejável desenvolver e implementar um processo que resolva os problemas acima expostos, nomeadamente que promova a redução de emissões de gases poluentes (tais como SOx, NOx e CO) enquanto que a eficiência energética seja promovida durante os processos de combustão da biomassa.
Neste sentido, a presente invenção propõe um processo baseado na adição de novos catalisadores e agentes de dessulfurização à biomassa, cujas reações físico-químicas termicamente ativadas são potenciadas pela aplicação de radiação de microondas .
Descrição geral da invenção
A presente invenção refere-se a um sistema integrado de catálise, combustão e pirólise da biomassa com o objetivo de reduzir a emissão dos gases poluentes que têm origem na combustão da biomassa, e melhorar a eficiência energética.
A redução dos compostos tóxicos, como por exemplo a degradação da molécula de CO, é conseguida através da degradação destes pela ação dos catalisadores introduzidos na biomassa, que formam novos elementos não-tóxicos, como produtos finais da reação química promovida pela própria queima.
Para além disso, é prevista a aplicação de radiação eletromagnética como forma de aumentar a eficiência energética, e a utilização da cinza resultante do processo de combustão e pirólise da biomassa e de agentes de dessulfurização, como efetivos agentes de redução dos gases tóxicos.
A possibilidade de promover a própria cinza na combustão como novo agente catalítico, desta forma garantindo uma melhor eficácia na degradação dos compostos tóxicos.
A junção de agentes de dessulfurização, com os catalisadores na combustão, garante a conversão do compósito de enxofre tóxico em compostos não-tóxicos e minerais tipo-cal (i.e. CaO) .
Assim, o processo da presente invenção compreende:
• Adição de catalisadores à biomassa para promover a decomposição de moléculas tóxicas libertadas durante a combustão ;
• Aplicação de radiação eletromagnética (micro-ondas), a temperaturas elevadas (superiores a aproximadamente 500°C) , para fomentar uma queima mais eficiente, bem como para a redução da percentagem de gases tóxicos e de compostos orgânicos voláteis emitidos durante a queima;
• Utilização da cinza resultante do processo da combustão e pirólise da biomassa, que é auxiliada pela utilização de radiação de micro-ondas, promovendo a função catalítica da cinza;
• Adição de agentes de dessulfurização, para a conversão dos compostos tóxicos formados durante a combustão da biomassa, contribuindo para a redução da emissão de gases tóxicos.
A combinação dos passos acima indicados reduz de forma eficaz a quantidade de gases tóxicos emitidos no processo de combustão de biomassa ou na queima de resíduos domésticos, industriais e hospitalares, inclusive em processo de incineração deste tipo de resíduos.
1. Adição de catalisadores à biomassa.
Um catalisador tem como objetivo aumentar a taxa de reação de um processo químico (i.e. a cinética do sistema), sem alterar a termodinâmica nem a composição química do sistema.
Na presente invenção é relevante que o catalisador induza uma redução catalítica seletiva dos compostos N0x e S0x, e oxidação do CO, para formação de constituintes químicos não-tóxicos como produtos finais da reação.
Os catalisadores mais adequados e propostos no âmbito da presente invenção podem ser de origem orgânica e de origem inorgânica. Entre estes, há a salientar materiais-tipo grafeno, compostos cerâmicos baseados em ítria estabilizada com zircónio (YSZ), e óxidos-metálicos como alumina, hematite e magnetite(fazem parte da composição química da cinza), que possuem excelentes propriedades catalíticas.
Biomassa define-se como sendo toda a matéria produzida através do crescimento de micro-organismos, plantas ou animais. A biomassa vegetal pode-se encontrar no seu estado natural, como galhos de árvores e arbustos, folhas de plantas, folhas de árvores, cortiça, lenha (galhos ou folhas), estilha, palha e serrim. A biomassa vegetal também pode estar disponível enquanto produto processado como pellets, briquetes, papel e pasta de papel e/ou celulose.
processo de produção de biomassa a partir de resíduos e efluentes industriais dos sectores da madeira, cortiça e/ou celulose encontra-se igualmente no âmbito da presente invenção, inclusive em processos de incineração de resíduos industriais de índole tóxicos.
processo da presente invenção prevê a adição de um ou mais catalisadores à biomassa, de acordo com o mencionado anteriormente.
A ação catalítica destes compostos promove a redução da emissão dos gases poluentes libertados durante a combustão da biomassa, promovendo a redução de gases tóxicos e otimizando o processo de oxidação de CO e redução do S0x e N0x, através da transformação dos compostos tóxicos em elementos não-tóxicos (produtos finais).
No caso do uso de catalisadores para promover a decomposição dos compostos nocivos de NO3, a função desse catalisador é a de reduzir a molécula de NO3 em oxigénio (O2) e nitrogénio (N2) , elementos constituintes da atmosfera terrestre. 0 mesmo ocorre com o CO, em que a oxidação da molécula em interação direta com o oxigénio, transforma-se em CO2.
Neste sentido, importa referir que os processos catalíticos utilizando materiais com propriedades catalíticas bem estabelecidas, como óxidos metálicos, presentes na composição química da cinza, podem ser fortemente melhorados quando o grafeno é adsorvido ou depositado na sua superfície.
Deve notar-se que o grafeno já contém eficiência catalítica muito bem estabelecida, sendo particularmente eficiente para reações catalíticas no que toca aos elementos N0x, SO2 e CO, que são os compostos de maior interesse para a presente invenção.
Entre os diversos derivados do sistema de grafeno de monocamada, também é dado especial interesse a outros alótropos, nomeadamente o grafeno de multi-camada e a nanotubos, que podem apresentar propriedades eletroquimicas distintas do seu alótropo de mono-camada, incidindo-se estas diferenças na ação final catalítica.
Pelas razões expostas, e por se tratar de um catalisador orgânico, o grafeno é o catalisador preferencial no âmbito da presente invenção.
Há ainda a considerar o facto de não existir restrições na aplicação de catalisadores orgânicos à biomassa. Contudo, no âmbito da presente invenção, considera-se adequada a adição de uma quantidade variável entre 0,5% a 1,0%, sendo que o valor máximo a adicionar está apenas limitado devido à viabilidade económica, uma vez que os catalisadores orgânicos são atualmente muito dispendiosos.
Relativamente aos catalisadores inorgânicos, no âmbito da presente invenção, são preferencialmente utilizados:
- óxidos metálicos presentes na composição química da cinza, como a alumina, a hematite e a magnetite, devido às suas eficientes propriedades catalíticas, as quais são bem conhecidas na literatura;
compostos cerâmicos baseados em ítria estabilizada com zircónio (YSZ):
• ítria estabilizada com zircónio (4YSZ), • ítria estabilizada com zircónio / óxido de alumínio, • ítria estabilizada com zircónio / óxido de alumínio (2YSZ + 4%A12O3) .
Uma vantagem adicional, decorrente do uso destes materiais, é que se encontram facilmente disponíveis, em várias formas e tamanhos, e são economicamente viáveis, tornando assim o processo da presente invenção também economicamente interessante.
Relativamente à utilização de catalisadores inorgânicos sugere-se uma adição à biomassa não superior a 0,5%, que corresponde ao limite máximo, de acordo com o sistema de certificação de qualidade de pellets atualmente em vigor (ENplus).
Seguem-se algumas reações químicas (Eq. 1) que ocorrem durante o processo de combustão e pirólise, em que o rendimento do processo aumenta consideravelmente quando assistido por radiação eletromagnética (especificado no seguinte ponto).
catalisador
NO -------------> O2 + N2 catalisador 2NO2 -----------> 202 + n2
Eq. 1 catalisador 2NO3 ------------> 302 + N2 catalisador 2SO3 -------------> 02 + 2SO2 catalisador
200 + 20 ------------> 2002 efeito dos catalisadores promove a decomposição dos compostos nocivos através da transformação destes em elementos nãotóxicos .
Os compostos tóxicos mais conhecidos no âmbito de combustão são os pertencentes às famílias do N0x, 00 e S0x (Eq. 1) .
óxido de nitrogénio (N0x) é um poluente atmosférico bem conhecido (poluente principal, e um dos responsáveis pela formação de chuvas ácidas, redução da camada de ozono e formação de smog) . Estes encontram-se na forma NO, NO2 e NO3.
Com a aplicação de um conversor catalítico ao processo de combustão da biomassa, é possível decompor estes elementos tóxicos em elementos não-nocivos, nomeadamente oxigénio (O2) e nitrogénio (N2) , que são elementos inertes, e dois dos constituintes primários da atmosfera da Terra (cerca de 78% de N2 e 21% de O2). 0 mesmo ocorre com o CO, que pela reação com o oxigénio, transforma-se em dióxido de carbono (CO2) , molécula comum, não tóxica, presente na atmosfera terrestre.
A emissão de óxido de enxofre (S0x) para a atmosfera representa uma ameaça para a saúde pública e para o meio ambiente. A Environmental Protection Agency (EPA) define como estratégia principal a redução da emissão para a atmosfera de óxidos de enxofre, entre os quais se inclui o SO2 e o SO3, como uma medida de controlo da qualidade do ar.
De entre estes dois óxidos, cada um possui efeitos negativos quer para o meio-ambiente quer para a saúde pública. Nomeadamente o SO3, que quando em contacto com a água tem o potencial de formar ácido, o que produz efeitos negativos na atmosfera. Por outro lado, a exposição humana ao SO2prejudica gravemente o sistema respiratório, tais como dificuldades respiratórias, inflamação das vias respiratórias e edema pulmonar.
A inclusão de um catalisador seletivo para a degradação do S0x, resulta nos produtos finais O2 e SO2. Com a possibilidade de inclusão de agentes de dessulfurização na combustão, os compostos de SO2 e restantes SO3 que não foram degradados na totalidade durante a reação de catálise, serão assim transformados em minerais inertes, tipo-cal.
2. Aplicação de radiação eletromagnética
A aplicação de radiação eletromagnética, micro-ondas, no segundo passo do processo da presente invenção, tem como objetivo melhorar o rendimento das reações exotérmicas do processo reativo acima proposto (Eq. 1), quando comparado com o aquecimento / combustão convencional.
A aplicação de radiação de micro-ondas durante o processo de combustão e pirólise da biomassa potência a redução da emissão de gases poluentes, tornando o processo de combustão da biomassa mais eficiente e com menor impacto ambiental.
A radiação eletromagnética considerada no âmbito da presente invenção é a radiação de micro-ondas. Esta compreende ondas eletromagnéticas com comprimentos de onda entre 1 mm e 1 m, e frequência no intervalo de 300 MHz a 300 GHz.
Havendo algumas restrições às frequências que podem ser utilizadas, estabelecidas através de acordos internacionais, as frequências normalizadas para uso doméstico são 915 MHz e 2,45 GHz.
Algumas frequências apenas podem ser utilizadas em países como Portugal, Holanda, Áustria, Alemanha e Suíça, como é o caso de 433, 92 MHz. As frequências 896 MHz e 40, 68 GHz apenas podem ser utilizadas no Reino Unido, e a frequência 915 MHz nos Estados Unidos da América.
Embora a presente invenção não se restrinja à frequência de 2,45 GHz (comprimento de onda aproximadamente 122 mm), aliado à elevada facilidade em aceder a geradores que operem nesta frequência, e sendo esta a frequência mais utilizada no processamento de materiais, é considerada como a frequência de operação.
Há a referir a aplicação de radiação de micro-ondas em processos de síntese e sinterização de materiais, e em processos de queima de resíduos perigosos e pirólise, com aumentos da reatividade, dando origem a processos mais rápidos, e ocorrendo a temperaturas de processamento inferiores, comparativamente aos métodos de processamento convencionais.
Comparativamente a métodos de pirólise convencional, encontram-se referências que mencionam uma qualidade e frações superiores de gás, gás de síntese, em detrimento das frações líquidas e sólidas, quando obtida a partir da pirólise por micro-ondas de matérias-primas orgânicas.
A obtenção de óleo através da pirólise de xisto é outro exemplo, com a aplicação de radiação de micro-ondas originando compostos com menos enxofre e nitrogénio, e apresentando maior rendimento que os métodos convencionais.
A radiação de micro-ondas potência assim a promoção de reações químicas. 0 aquecimento de uma substância (moléculas na fase gasosa e estruturas cristalinas de óxidos-metálicos), utilizando radiação de micro-ondas é fortemente dependente das características térmicas e dielétricas dessas substâncias.
Devido à diferença das propriedades dielétricas entre os óxidos metálicos e as moléculas em fase gasosa, o aquecimento seletivo promove uma maior eficácia das taxas de reação.
Enquanto no processo de combustão convencional a transferência de energia, da fonte até ao material a aquecer, é lento e fortemente dependente das propriedades térmicas dos materiais, sendo conseguido através da transferência de calor por radiação, convecção e condução, quando o aquecimento é realizado pela interação com a radiação de micro-ondas, o material torna-se na própria fonte de calor. A transferência rápida de energia que a radiação de micro-ondas potência, diretamente para as estruturas dos óxidos metálicos, origina um aumento instantâneo da temperatura nestes. Assim, a energia de ativação é reduzida, e a taxa de reação aumenta.
A utilização da radiação de micro-ondas para aplicação na combustão e pirólise da biomassa, e vários outros compostos orgânicos, comporta algumas dificuldades na aferição da sua eficácia. Em geral, materiais à base de biomassa são pobres recetores de radiação de micro-ondas, então não podem ser aquecidos diretamente até às temperaturas necessárias para se obter uma pirólise completa.
Contudo, é conhecido da literatura que a pirólise induzida por micro-ondas é possível quando a matéria-prima é misturada com um recetor efetivo de micro-ondas, tal como específicos tipos de óxidos-metálicos ou materiais de carbono, uma vez que estes são bons absorvedores de micro-ondas.
Assim, as maiores vantagens da aplicação da radiação eletromagnética em ambiente de combustão de biomassa, em comparação com a combustão convencional, são o aumento da taxa de aceleração da reação química, maior rendimento químico, menor consumo energético e maior eficiência energética.
Outras aplicações, que podem surgir no âmbito do sistema integrado com radiação de micro-ondas aqui proposto, podem ser orientadas inclusive para a queima de resíduos domésticos, industriais e hospitalares.
No âmbito da presente invenção são aplicadas frequências que podem variar de 915 MHz e 2,45 GHz.
A potência nominal de radiação de micro-ondas pode variar entre 900 W e 10000 W ou até mais, sendo uma variável que depende, entre outros fatores, da forma e dimensão da cavidade, do tipo de catalisador a utilizar e da constituição das pellets.
3. Condições de combustão da biomassa
Os fornos comerciais, e disponíveis no mercado, quer os de uso doméstico ou os de uso industrial, são construídos baseados nas condições otimizadas para a função que se destina, e que estão regulamentadas por entidades próprias. No âmbito da presente invenção, a combustão é assistida por micro-ondas em combinação com a adição de catalisadores e agentes de dessulfurização, como referido nos pontos anteriores.
Prevê-se que o processo possa ser otimizado através da utilização de ferramentas numéricas, como por exemplo a utilização de software comercial dedicado, no auxílio da construção e adaptação em fornos por forma a melhorar a eficiência do processo de combustão nos fornos comerciais e caldeiras já existentes.
4. Adição de cinza como agente catalítico
A adição de cinza, resultante do processo de combustão e pirólise da biomassa, pode ser promovido como novo agente catalítico, aproveitando o facto da composição química da cinza ser maioritariamente nano-estruturas de óxidos metálicos, tais como, alumina, hematite, magnetite, etc. Os óxidos metálicos constituem um importante suporte catalítico, sendo por isso de considerar um sistema, por exemplo por aspersão ou ventilação, para transportar a cinza resultante da queima da biomassa para a zona onde as reações catalíticas sejam potenciadas.
mecanismo de aspersão/ventilação, usado para este fim, pode ser mecânico. A aspersão e condução da cinza para a zona da queima pode ser promovida/auxiliada pelo escoamento dos gases de exaustão, utilizando como princípio o teorema de Bernoulli. Estima-se que a quantidade da cinza a ser aspirada é da ordem de percentagem mássica dos 3%-7% do valor do caudal de gás de exaustão.
Este passo, conjugado com os passos do processo, tal como descritos anteriormente, garante um melhor desempenho energético do sistema térmico, bem como da catálise dos gases tóxicos, reduzindo a emissão deste tipo de gases, uma vez que as micro-ondas melhoram a eficácia dos processos catalíticos.
A promoção da cinza para a zona de combustão, pode ser realizada com auxílio de um dispositivo mecânico, por exemplo, baseado no princípio de Bernoulli.
As quantidades da cinza a serem aspergidas são consideradas na ordem das percentagens mássicas dos 3%-7% do valor do caudal de gás de exaustão. Estima-se que a velocidade de escoamento dos gases seja aproximadamente de 0.5 m/s, com tempo de exposição da ordem dos 0.1 s.
5. Adição de agentes de dessulfurização
Na presente invenção incute-se ainda a utilização de agentes com capacidade de dessulfuração, entre os quais se destacam minerais que contenham cálcio, tal como o CaCOs (calcário ou pó de casca de ovo que contem mais de 95% de CaCOs) , devido à elevada reatividade com compostos de enxofre, amplamente conhecidos como agentes de dessulfuração.
Há ainda a considerar o potencial de absorção da radiação de micro-ondas por elementos como o CaCOs, potenciando a reação de dessulfuração.
Também se propõe a introdução de CaCOs, como agente de dessulfuração, durante o processo de combustão de forma a reagir com o óxido de enxofre e formar minerais tipo-cal como produto final desta reação, nomeadamente através da reação química que se apresenta abaixo (Eq. 2).
Prevê-se a adição de cerca de l%-3% de CaCOs, em relação a quantidade de biomassa a tratar.
A adição destes agentes pode ser efetuada durante a fase de combustão do material a tratar, sendo estes agentes adicionados manualmente dentro do forno antes de iniciar a combustão. Uma grande concentração destes agentes é então aspirada em conjunto com a cinza e, deste modo, auxilia os catalisadores na eliminação/conversão dos óxidos de enxofre.
Este processo químico serve de apoio à redução das emissões de S0x, o qual, juntamente com o catalisador (que potência a desagregação das moléculas), cria um processo de dessulfurização capaz de converter o compósito de enxofre tóxico (ainda existente durante a queima) em compostos ou constituintes não-tóxicos (i.e. CaO) . Esta reação química processa-se em duas etapas: inicialmente é termicamente ativada pelo processo de queima, sendo seguida por um processo de calcinação (CaO), através da reação química com o S0x:
calor CaCO3 -------> CaO+CO2 dessulfurização
CaO+SO2+l/2O2 -----------> CaSO4 Eq.2 dessulfurização
CaO+SO3 --------------> CaSO4 processo da presente invenção compreende assim os seguintes passos:
a) Adição de catalisadores na biomassa, tais como catalisadores constituídos por compósitos cerâmicos e alótropos de grafeno;
b) Aplicação de radiação de micro-ondas durante o processo de combustão;
c) Adição da cinza resultante do processo de combustão e pirólise da biomassa, cuja composição química tem óxidos metálicos;
d) Adição de agentes de dessulfurização, como efetivos agentes de conversão dos compósitos tóxicos de enxofre em compostos não-tóxicos.
processo da presente invenção reduz, de uma forma eficiente e fácil, a emissão dos gases tóxicos produzidos no processo de combustão da biomassa, sendo também aplicável à queima e combustão de resíduos domésticos, industriais e hospitalares, incluindo a incineração deste tipo de resíduos.
Exemplos
Exemplo 1. Produção de pellets a partir da biomassa florestal com agentes catalíticos
No presente exemplo usou-se o serrim, resultante dos resíduos da indústria do setor da madeira.
A produção de pellets consistiu em:
a) Secagem natural do serrim, seguida de secagem em estufa a 70°C, até atingir uma humidade inferior a 0,5%,
b) Trituração do serrim, com fragmentador de lâminas, até obtenção de amostra homogénea (grelha de 2 mm),
c) Adição de aglomerante (amido à percentagem de 0,8% (p/p) e de água (para ajustar a humidade para 12% (p/p)),
d) Homogeneização da mistura,
e) Produção de pellets numa peletizadora, f) Crivagem.
Exemplo 2. Adição de catalisadores à biomassa
Todos os catalisadores utilizados são adquiridos em indústrias que se dedicam à investigação, produção e comercialização destes compostos.
Foram adicionados os seguintes catalisadores à biomassa, para produção das pellets, de acordo com o exemplo anterior, da seguinte forma:
• a adição de 0,5% de ítria estabilizada com zircónio (2.1) ou de óxido de alumínio (2.2), a 99,5% de serrim, e • a adição entre 0,5% a 1,0% de alótropos de grafeno, tais como monocamada e multicamada de grafeno, em 99,5% (2.3) e a 99,0% (2.4) de serrim, respetivamente.
Exemplo 3. Aplicação de micro-ondas
A utilização/injeção de radiação de micro-ondas na câmara de combustão, a temperaturas elevadas, promove uma queima mais eficiente, e auxilia os processos de catálise (diminuição da barreira de ativação para o processo de reação ocorrer) , reduzindo assim a percentagem de gases tóxicos e compostos orgânicos emitidos durante a queima.
O tempo de aplicação da radiação de micro-ondas, ao material preparado de acordo com os exemplos 1 e 2, é equivalente ao tempo de duração do processo de queima, dado que o processo pode ocorrer em contínuo e não há limite da quantidade de material a introduzir no processo.
Exemplo 4. Adição de agentes de dessulfurização
A adição destes agentes é realizada na fase inicial da combustão, podendo ser realizada de forma manual ou através de um mecanismo, podendo serem colocados dentro do forno juntamente com as pellets, com uma percentagem de l%-3% em relação às pellets. Uma concentração elevada destes agentes serão assim aspergidos em conjunto com a cinza e deste modo auxiliar os catalisadores na eliminação/conversão dos óxidos de enxofre.
É assim possível converter compostos S0x produzidos durante a combustão da biomassa, em óxidos de cálcio, que são compostos inertes não-tóxico e que podem ser reutilizados para outro fim.
Exemplo 5. Caracterização dos resíduos produzidos
Com a aplicação das pellets com catalisadores, cinza, sistema de micro-ondas e agentes de dessulfurização, é possível reduzir os gases tóxicos para compostos praticamente inertes, conforme as equações das reações descritos acima (Eqs. 1 e 2), nomeadamente:
1) Decomposição de moléculas de SO3 em oxigénio e SO2; e conversão de SO3/SO2 em cal (ou óxido de cálcio) , que poderá ser reutilizado.
2) Decomposição de moléculas de NO3, NO2 e NO em oxigénio e nitrogénio, gases não tóxicos e constituintes da atmosfera terrestre.
3) Decomposição das moléculas nocivas de monóxido de carbono em dióxido de carbono.

Claims (12)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Processo para combustão e pirólise de biomassa assistida por radiação eletromagnética caracterizado por compreender os seguintes passos:
    a) Adição de catalisadores à biomassa constituídos por compósitos cerâmicos baseados em ítria estabilizada com zircónio (YSZ) e catalisador de grafeno que compreende alótropos de grafeno, tais como o sistema de grafeno de mono-camada, grafeno de multi-camada e nanotubos de grafeno, formando uma mistura;
    b) Aplicação/injeção de radiação de micro-ondas na câmara de combustão, durante o processo de combustão e pirólise no processo de queima da biomassa;
    c) Utilização, como catalisador, da cinza resultante da combustão e pirólise durante o processo de queima da biomassa;
    d) Adição de agentes de dessulfurização à biomassa durante o processo de combustão e pirólise.
  2. 2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a biomassa originária de resíduos domésticos, resíduos industriais, resíduos hospitalares ou biomassa vegetal.
  3. 3. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por a biomassa vegetal ser:
    biomassa vegetal no seu estado natural, preferencialmente serrim, estilha, palha, galhos de árvores e arbustos, folhas de plantas, folhas de árvores, e cortiça;
    biomassa vegetal enquanto produto processado, preferencialmente pellets, briquetes, papel e pasta de papel e/ou celulose.
  4. 4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o catalisador cerâmico, adicionado no passo (a), ser um ou mais compostos cerâmicos baseados em itria estabilizada com zircónio (YSZ), preferencialmente um ou mais de entre:
    • ítria estabilizada com zircónio (4YSZ), • ítria estabilizada com zircónio / óxido de alumínio, • ítria estabilizada com zircónio / óxido de alumínio (2YSZ + 4%A12O3) .
  5. 5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o catalisador de grafeno compreender grafeno ou derivados de grafeno, tais como o grafeno de mono-camada, o grafeno de multi-camada e nanotubos de grafeno, nele adsorvido ou depositado.
  6. 6. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o catalisador ser constituído por compostos cerâmicos se encontrar presente na mistura de (a) numa quantidade igual ou inferior a 0,5%(m/m) relativa ao total da mistura de biomassa.
  7. 7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o catalisador de grafeno se encontrar presente na mistura de (a) numa quantidade variável de 0,5%(m/m) a 1,0%(m/m) relativa ao total da mistura de biomassa.
  8. 8. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por compreender a aplicação de radiação de micro-ondas, no passo (b), durante o processo de combustão e pirólise, com uma frequência igual a 2,45 GHz .
  9. 9. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a adição de cinza ser realizada através de um sistema de aspersão, promovido pelo escoamento dos gases de exaustão, utilizando como base o teorema de Bernoulli, modelo tubo de Venturi.
  10. 10. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a quantidade de cinza adicionada à biomassa variar de 3%(m/m) a 7%(m/m) do valor do caudal de gás de exaustão.
  11. 11. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por os agentes de dessulfurização a adicionar à biomassa serem obtidos a partir de materiais que contenham cálcio, tal como o calcário (CaCOs) ou casca de ovo em pó, os quais compreendam uma quantidade de CaCOs igual ou superior a 95% (m/m) do total.
  12. 12. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a quantidade de agentes de dessulfurização a adicionar à biomassa variar entre 1%(m/m) a 3%(m/m) de CaCOs fornecido, por total de biomassa.
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