PT1277825E

PT1277825E - Processo e instalação de produção de gases combustíveis a partir de gases provenientes da conversão térmica de uma carga sólida

Info

Publication number: PT1277825E
Application number: PT02291552T
Authority: PT
Inventors: Eric Marty
Original assignee: Inst Francais Du Petrole
Priority date: 2001-07-18
Filing date: 2002-06-21
Publication date: 2008-05-29
Also published as: DE60225380D1; FR2827609A1; JP4440519B2; JP2003147365A; ES2302513T3; FR2827609B1; EP1277825A1; EP1277825B1; DE60225380T2; ATE388213T1

Description

DESCRIÇÃO

PROCESSO E INSTALAÇÃO DE PRODUÇÃO DE GASES COMBUSTÍVEIS A PARTIR DE GASES PROVENIENTES DA CONVERSÃO TÉRMICA DE UMA CARGA SÓLIDA A presente invenção refere-se a um processo e a uma instalação de produção de gases combustíveis a partir de gases provenientes da conversão térmica de uma carga sólida contendo uma fracção orgânica, por exemplo, de biomassa ou de detritos domésticos e/ou industriais.

Os gases combustíveis ricos assim produzidos são desprovidos, por um lado, de produtos pesados como o alcatrão, e, por outro lado, de poluentes minerais, em particular, sais alcalinos.

Estes gases combustíveis podem ser com vantagem utilizados em dispositivos ou em processos de produção de energia, tais como, motores a gás, turbinas a gás, caldeiras ou queimadores. É portanto particularmente interessante combinar uma etapa de conversão térmica, por pirólise ou termólise de uma carga, tal como acima definida, com uma operação de refinação térmica dos gases provenientes desta etapa de conversão para produção de gases combustíveis.

Os gases provenientes da conversão da carga por pirólise (ou termólise) , denominados na descrição que se segue gases de pirólise são, de uma maneira geral, constituídos por uma mistura de vapor de água, de gases não condensáveis, tais como, CO, C02, H2, CH4, C2Hx, C3Hy, NH3, 1 e por vapores de hidrocarbonetos mais pesados com, pelo menos, 4 átomos de carbono. É possível converter os vapores de hidrocarbonetos pesados por refinação térmica destes gases de pirólise, de maneira a obter, no fim desta operação, uma muito grande quantidade de gases não condensáveis e combustíveis.

Um processo de produção de gases combustíveis é já conhecido, nomeadamente através do documento US 4 300 915, que descreve um processo para produzir estes gases combustíveis a partir de gases em bruto provenientes de uma operação de pirólise de uma carga seguida de'um tratamento por refinação térmica de apenas uma parte destes gases de pirólise, .refinação que tem como resultado a produção dos referidos gases combustíveis.

Neste documento, é previsto, que, por outro lado, os gases de pirólise . sejam utilizados para alimentar queimadores que vão gerar a energia térmica necessária ao tratamento por refinação.

Este processo tem o inconveniente de só poder transformar uma parte dos gases provenientes da pirólise e devido a isto o rendimento global da operação de refinação fica diminuído. O documento DE 199 40 001 AI descreve um processo e uma instalação de produção de gases combustíveis provenientes da conversão da carga por pirólise. A presente invenção propõe-se resolver os inconvenientes acima mencionados por intermédio de um processo e de uma instalação de produção de gases combustíveis graças aos quais a totalidade dos gases de pirólise é transformada em gases combustíveis. 2

De acordo com a invenção, um processo de produção de gases combustíveis compreendendo uma conversão térmica de uma carga sólida, nomeadamente por pirólise, originando resíduos sólidos e gases em bruto, uma combustão dos referidos resíduos sólidos produzindo gases combustíveis e uma refinação térmica dos gases em br.uto para produzir gases combustíveis com a utilização de todos ou parte dos gases de combustão para alimentar com energia térmica a operação de refinação térmica dos gases em bruto, é caracterizado por se misturarem os gases de combustão com 6 ar fresco para obter a temperatura desejada para a operação de refinação térmica.

Com vantagem, pode ser derivada uma parte dos gases de combustão antes da sua utilização para a operação de refinação para conseguir a energia necessária à operação de conversão térmica da carga sólida.

De uma forma preferida, podem utilizar-se os gases de combustão para alimentar, pelo menos, um meio de aquecimento para a operação de refinação térmica dos gases em bruto.

De forma vantajosa, pode regular-se a temperatura e a velocidade de subida de temperatura no meió de refinação, actuando no débito e na quantidade de gases de combustão e/ou de ar fresco.

De uma forma preferida, podem aquecer-se de forma indirecta os gases em bruto durante a operação de refinação térmica.

Como variante, podem aquecer-se de forma directa os gases em bruto durante a operação de refinação térmica. A invenção diz respeito igualmente a uma instalação de produção de gases combustíveis a partir de uma carga sólida 3 que compreende um dispositivo de conversão térmica da carga, nomeadamente por pirólise, meios de combustão de resíduos sólidos provenientes da pirólise e um meio de refinação térmica dos gases em bruto provenientes da referida pirólise, um meio de transporte para o meio de refinação de toda ou de parte da energia térmica proveniente do meio de combustão e um meio de aquecimento do meio de refinação, caracterizada por os meios de aquecimento serem alimentados de ar fresco por uma via, de alimentação de ar de maneira a obter a temperatura desejada para a operação de refinação. . 0 meio de transporte pode compreender uma via derivada da via de ligação. A instalação pode compreender, no ponto de derivação, um meio de regulação dos gases de combustão para um meio de conversão térmica e para o meio de refinação.

Os meios de aquecimento podem ser meios de aquecimento indirecto.

Como variante, os meios de aquecimento podem ser meios de aquecimento directo.·

Os meios de aquecimento podem incluir, pelo menos, um meio de injecção de gases de combustão no interior do meio de refinação. A instalação pode compreender meios de regulação associados ao meio de combustão para regular a, combustão dos resíduos sólidos no referido meio de combustão.

Outras vantagens e características da invenção surgirão da leitura da descrição que se vai seguir, dada apenas a título de exemplo, e à qual são anexados desenhos, nos quais: a figura 1 é um esquema mostrando os elementos da instalação de produção de gases combustíveis de acordo com a invenção; a figura 2 é uma vista em corte longitudinal de um reactor de refinação térmica utilizado na instalação de acordo com a invenção; a figura 3 é uma vista em corte longitudinal de uma variante do reactor da figura 2; a figura 4 é um esquema mostrando os elementos de uma instalação de tratamento dos gases combustíveis produzidos de acordo com a invenção.

Fazemos agora referência à figura 1 que é um esquema funcional que mostra os.diferentes elementos constitutivos de uma forma de realização da invenção e no qual um forno 10. de pirólise está associado a um reactor 12 de refinação térmica para a produção de gases combustíveis. 0 forno 10 é alimentado por uma via 14 com uma carga principalmente sólida que pode conter uma fracção orgânica, por exemplo, detritos urbanos e/ou industriais ou biomassa.

Este forno 10 é, de um modo preferido, um forno rotativo que tem capacidade para tratamento de cargas variadas, tanto em dimensões, como em composição, e pode portanto ser alimentado com uma carga principal como seja a biomassa ou com misturas de cargas sólidas contendo a matéria orgânica, por exemplo, detritos domésticos, detritos industriais banais ou lamas de estações de depuração. A carga introduzida neste forno pode ser tratada antes da sua introdução de forma a torná-la adequada às especificações do forno, por exemplo, a granulometria 5 máxima ou a humidade, e isto introduzindo técnicas convencionais, como, por exemplo, trituração, secagem ou outras.

Nomeadamente, estas especificações prevêem a utilização de uma carga com uma granulometria máxima inferior a 30 cm, de um modo preferido, inferior a 10 cm, e uma humidade que deve ser levada a um máximo de 40% de peso, de um modo preferido, a 20% de peso, uma vez que a taxa de humidade da carga tem uma influência sobre a reacção de refinação térmica e portanto sobre o rendimento do reactor de refinação térmica.

De uma forma preferida, serão tratadas ' cargas cuja humidade inicial é tal que a relação em massa água/gás resultante da pirólise se situa entre 0,1 e 10 pois, nestes valores, o vapor de água tem um efeito positivo na refinação térmica limitando, digamos impedindo,, a formação de depósitos de resíduos com carbono. .

Este forno compreende um recipiente 16, rotativo no caso de um forno rotativo, envolvido por um invólucro 18 exterior fixo fechado gerindo o espaço 20 de aquecimento em forma de anel fechado preparado para receber um fluido a alta temperatura para aquecimento da . carga existente no recipiente.

Sob o efeito deste fluido,. proveniente da conversão térmica realizada no recipiente na total ausência de ar, como é habitualmente concretizado numa pirólise, a carga sofre uma degradação térmica que.conduz, à saída do forno, à formação de uma fase gasosa denominada a seguir gases em bruto, e de uma fase sólida rica em carbono, intitulada coque no seguimento da descrição. 6 Á saída do forno, os gases em bruto são dirigidos por uma via 22. para o reactor 12 de refinação térmica para transformação destes gases em bruto em gases combustíveis que serão recuperados por uma via 24 colocada à saída do reactor, e o coque é encaminhado por uma via 26, que assegura uma impermeabilidade relativamente ao exterior, por exemplo, por um conjunto de válvulas que originam um crivo (não representado), na direcção de um meio (28) de combustão que permite gerar a energia calorífica necessária à operação de pirólise da carga introduzida no recipiente 16 do forno 10 e que é transportada, na totalidade ou em parte, por uma via 30 de ligação no espaço 20 em anel de aquecimento para em seguida voltar a sair por uma via 32 de descarga. O meio 2 8 de combustão pode ser uma camada fluidificada, Uma camada fixa, uma fornalha de parafuso, uma fornalha de grelha, uma fornalha ciclone ou qualquer outro dispositivo que permita queimar combustíveis essencialmente sólidos.

Este meio 28 de combustão é alimentado pelo ar de combustão, que pode ser empobrecido de 02 por mistura com fumos reciclados ou ser, eventualmente, pré-aquecido, através de uma via 34 com uma válvula 36 de regulação para fazer a regulação da temperatura de combustão do coque e daí a relação da temperatura dos gases de combustão provenientes do meio 28 de combustão. É a partir do meio 28 de combustão que é fornecida a energia necessária à operação de refinação térmica dos gases em bruto.

Mais precisamente., esta energia, sob a forma de gases quentes, . denominados a seguir gases de combustão, é transportada, na sua totalidade ou em parte, por uma via 38 7 em derivação que nasce num ponto 40 de derivação da via 30. Este ponto de ligação está previsto a montante do espaço 20 de aquecimento e termina nos meios 42 de aquecimento adaptados ao reactor 12.

Os gases de combustão, uma vez utilizados nos meios 42 de aquecimento do reactor, voltam a sair por uma via 44 para serem evacuados de uma maneira que é conhecida.

Em função da temperatura dos gases de combustão provenientes dos meios 42.de aquecimento, estes podem ser reutilizados afim de aumentar o rendimento térmico da instalação. Em particular, todo o gás . ou- parte dele proveniente da via 44 pode ser utilizado para aquecer o recipiente 16 rotativo após introdução no invólucro 18 duplo e circulação no espaço 20 em anel.. O ponto 40 de derivação será equipado . com todos os meios, conhecidos, por exemplo, uma válvula associada a meios de comando e de regulação (não . representados) para permitir uma regulação adequada entre a energia térmica a fornecer ao forno 10 e a energia térmica a fornecer ao reactor 12.

De acordo com a figura 2, o reactor 12 de refinação térmica inclui um invólucro de material refractário no interior do qual são colocados tubos 46,. de um modo preferido, metálicos, nos quais circulam os gases em bruto provenientes da via 22. Estes tubos comunicam por uma das suas extremidades com a via 22 e pela outra com a via 24.

Os meios de aquecimento que são alimentados pelos gases de combustão através da via 38 são, pelo menos, um meio de injecção dos gases.de combustão, neste caso um difusor 42, que, na forma de realização descrita, são em número de dois colocados na parede do reactor e que vão injectar os gases 8 de combustão no interior do reactor para aquecer os tubos 40 de maneira a obter a refinação térmica dos gases em bruto que ai circulam com a melhor taxa de conversão e isto tendo em conta a velocidade de subida da temperatura e do tempo de permanência no reactor.

Meios de regulação da temperatura de refinação térmica bem como da velocidade de subida da temperatura são com vantagem concretizados sob a forma de uma via 48 de alimentação de ar fresco e de válvulas 50, 52 de regulação que estão, respectivamente, associadas à chegada dos gases de combustão e à chegada de ar fresco que chega igualmente aos difusores 42.

De acordo com a temperatura desejada e da velocidade de subida da temperatura no reactor de refinação térmica, os débitos e quantidade de gases de combustão e de ar fresco injectados' pelos difusores 42 neste reactor serão regulados pelas válvulas 50, 52 de regulação.

Para obter a reacçâo de refinação térmica, os- gases de combustão, eventualmente misturados com ,o ar fresco, vão aquecer a parede dos tubos 46, o que se vai traduzir numa refinação térmica dos gases em bruto que circulam nestes tubos.

Assim, de acordo com os parâmetros de temperatura e de velocidade, os hidrocarbonetos pesados presentes'nos gases em bruto são convertidos por refinação térmica em gases leves e voltarão a sair pela via 24 para serem submetidos a um tratamento posterior, como será explicado com maior precisão no seguimento da descrição com referência à figura 4.

Bem entendido, a escolha dos tubos (número, disposição, diâmetro ...) associada aos parâmetros de temperatura e de 9 velocidade atrás citados será feita de maneira a obter a melhor taxa de conversão dos gases em bruto minimizando ao mesmo tempo a formação de depósito de resíduos com carbono. É importante notar que a refinação térmica dos gases em bruto se efectua, no reactor da figura 2, na ausência de ar. A figura 3 é uma variante segundo a qual os gases em bruto não circulam em tubos, mas penetram pela via 22 directamente no interior do volume limitado pelo invólucro do reactor 12 e voltam a sair, após refinação térmica, pela via 24 sob a forma de uma mistura de gases combustíveis e de gases de combustão.

Nesta variante, o reactor 12 inclui um invólucro de material refractário, no. interior do qual penetram, por um lado, os gases em bruto pela via'.22, e, por outro lado, os gases de combustão pelos difusores 42. Estes gases de combustão provêm da via 38 e estão eventualmente associados ao ar fresco vindo da via 48, sendo os débitos e quantidade de gases de combustão e do ar fresco regulados, como anteriormente descrito, pelas válvulas 50, 52 de regulação.

No interior deste' invólucro, os gases em bruto e os gases de combustão (eventualmente associados a ar fresco) misturam-se e a energia térmica necessária à operação de refinação térmica é directamente fornecida pelos gases de combustão.

Assim, à saída do reactor, a via 24 transportará uma mistura de gases combustíveis provenientes da refinação térmica e de gases de combustão.

Bem entendido, esta mistura será tratada seguidamente por todos os meios apropriados para poder utilizar os gases combustíveis que a mistura contém. 10

Vamos referirmo-nos agora à figura 4 que descreve um exemplo de tratamento dos gases combustíveis provenientes do reactor 12 de refinação térmica pela via 24 e dos gases de combustão que tenham sido utilizados nos meios de aquecimento do forno 10 de pirôlise e que são evacuados pela via 32, como já foi descrito em relação às figuras 1 e 2.

Os gases combustíveis provenientes da via 24 são arrefecidos rapidamente por um permutador 56 de calor de maneira a interromper as reacções químicas uma vez que, à saída do permutador, são dirigidas por uma via 58 por um meio 60 de filtragem e de separação para neles eliminar as partículas sólidas em suspensão e as retirar.

As partículas sólidas são retiradas por uma vía 62 para um dispositivo de armazenagem (não representado) e os gases combustíveis depurados são utilizados, no exemplo representado, por intermédio de uma via 64, para alimentar um meio 66 de produção de energia, por exemplo, um motor ou uma turbina.

Bem entendido e isto sem sair do quadro da invenção, pode ser previsto que a via 64 seja ligada a um dispositivo de armazenagem dos gases combustíveis, armazenagem que poderá realizar-se após uma operação de compressão dos gases, depurados.

No que se refere aos gases de combustão que tenham sido utilizados para o aquecimento do forno 10 e evacuados pela yia 32, estes gases são introduzidos num meio 68 de recuperação de calor. Os fumos provenientes deste meio são em seguida evacuados por uma via 7 0 para uma chaminé 72 enquanto que a energia (vapor, água quente ...) proveniente deste meio de recuperação de calor é evacuada para meios ou utilizações apropriados por uma via 74. 11 0 processo de produção de gases combustíveis será agora explicado com referência à figura 1. A carga é introduzida, (com ou sem tratamento prévio) pela via 14 do recipiente 16 do forno 10 por intermédio de um dispositivo (não representado) que permite assegurar a alimentação e a impermeabilidade ao ar do referido forno. A carga, no caso de um forno rotativo, progride no interior do recipiente 16 e, sob a acção do calor gerado pelos gases de combustão que circulam no espaço 20 em anel de aquecimento, é libertada da sua humidade residual pois sofre uma degradação térmica na ausência total de ar (pirólise).

Deve notar-se que a situação dos gases de combustão no espaço 20 em anel de aquecimento pode ser efectuada em contra corrente ou no sentido da corrente da carga que circula no recipiente'16 e isto em função dos parâmetros de velocidade de aquecimento e de temperatura procurados. A temperatura dos gases de combustão presente neste espaço dé aquecimento fica compreendida entre 600 e 1400°C e, de um modo preferido, entre 800 e 1200°C. O aquecimento da carga é concretizado pela transferência energética por irradiação e por convecção dos gases de . combustão para a parede metálica do recipiente 16.

Esta operação de pirólise efectua-se a temperaturas compreendidas entre 300 e 900°C, de um modo preferido, entre 500 e 700°C, sob uma pressão próxima da pressão atmosférica. O tempo de permanência da carga no interior do forno está compreendida entre 30 e 180 minutos,· de um modo preferido, entre 45 e 90 minutos. 12

Além disso, a velocidade de aquecimento está compreendida entre 5 e 50°C/minuto de maneira a minimizar a formação de produtos pesados. À saida do forno, a degradação da carga forma, por um lado, o coque que vai ser retirado pela via 26 directa ou indirectamente para o meio 28 de combustão e, por outro lado, os gases em bruto que vão ser dirigidos para o reactor 12 de refinação térmica. 0 calor gerado pela combustão do coque no meio 28 de combustão vai ser utilizado, por um lado, para' o aquecimento do forno 10 através da via 30 e, por outro lado, para o aquecimento do reactor 12 através da via 38.

Os gases em bruto vão sofrer uma operação de refinação térmica no reactor a uma temperatura compreendida entre 800 e 1200°C, de acordo com o dispositivo descrito com referência à figura 2 ou à figura 3. Depois, os gases combustíveis provenientes desta refinação são retirados pela via 24 para serem tratados de forma adequada, como descrito a título de exemplo em relação à figura 4.

Assim, todos os gases errt bruto' são levados a serem transformados em gases combustíveis e por consequência a valorização da carga será por isso maior.

Bem entendido, a presente invenção não fica limitada aos exemplos atrás descritos, mas engloba todas as variantes.

Nomeadamente, pode ser prevista a disposição de um separador 7 6 do tipo ciclone à saída do forno 10 para melhor separar o coque dos gases em bruto e de uma tremonha 78 de armazenagem permitindo regular a alimentação em coque do meio 28 de combustão por intermédio de uma válvula 80 de regulação. 13

Por outro lado, em relação à figura 4, pode ser prevista uma via 82 de ligação entre o permutador 5 6 de calor e o meio 68 de recuperação de calor afim de transferir para ele o calor recuperado quando do arrefecimento dos gases combustíveis por passagem no permutador de calor.

Lisboa, 19 de Maio de 2008 14

Claims

REIVINDICAÇÕES 1.. Processo de produção de gases combustíveis que compreende uma conversão térmica de uma carga sólida, nomeadamente por pirólise, dando origem a resíduos sólidos e a gases em bruto, produzindo uma combustão dos referidos resíduos sólidos gases de combustão, e uma refinação térmica dos gases em-bruto para produzir gases combustíveis com a utilização de todos ou parte dos gases de combustão para alimentar ' de energia térmica a operação de refinação térmica dos gases em bruto, caracterizado por se misturarem os gases de combustão com ar.fresco para obter a temperatura desejada para a operação de refinação térmica.
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por se derivar uma parte dos gases de combustão antes da sua utilização para a operação de refinação térmica para fornecer a energia necessária à operação de conversão térmica da carga sólida.
3. Processo de acordo com a reivindicação 1. ou 2, caracterizado por se utilizarem os gases de combustão para alimentar, pelo menos, um meio (42) de aquecimento . para a operação de refinação térmica dos gases em bruto.
4. Processo de acordo com'uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por se regular a temperatura e a velocidade de subida da temperatura no meio (12) de refinação actuando sobre o débito e a 1 quantidade de gases de combustão e/ou de ar fresco.
5. Processo de acordo com as reivindicações 1 a 4, caracterizado por se aquecerem' de maneira indirecta os gases em bruto durante a operação de refinação térmica.
6. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por se aquecerem de maneira directa os gases em bruto durante a operação de refinação térmica.
7. Instalação de produção de gases combustíveis a partir de uma carga sólida compreendendo um meio (10) de conversão térmica da carga, nomeadamente, por pirólise,' um' meio (28) de combustão dos resíduos sólidos provenientes da pirólise e um meio (12) de refinação térmica dos gases em bruto provenientes da referida pirólise, um meio (38) de transporte para o meio (12) dé refinação dê toda òu parte da energia térmica proveniente do meio (28) de combustão e um meio (42) de aquecimento do meio (12) de refinação térmica,, caracterizada por os meios (42) de aquecimento serem alimentados de ar fresco por uma' via (48) de alimentação de ar de maneira a ser obtida a temperatura desejada para a operação de refinação térmica.
8. Instalação de acordo com a reivindicação 7, na qual uma via (30) de ligação liga o meio (10) de conversão térmica e o meio. (28) de combustão, caracterizada por o melo de transporte compreender uma via (38, 40) de derivação da via (30) de ligação. 2 8
9. Instalação de acordo com a reivindicação caracterizada por compreender, no ponto (40) de derivação, um meio de regulação dos gases de combustão na direcção dos meios (10) de conversão térmica e na direcção dos meios (12) de refinação térmica.
10. Instalação de acordo com a reivindicação 7, caracterizada por os meios (42) de aquecimento serem meios de aquecimento indirecto.
11. Instalação de acordo com a reivindicação 7, caracterizada por os meios (42) de aquecimento serem meios de aquecimento directo.
12. Instalação de acordo com a reivindicação 7, . caracterizada por os meios de aquecimento compreenderem, pelo menos, um meio (42) de injecção de gases de combustão no interior do meio (12) de refinação.
13. Instalação de acordo com a reivindicação 7, caracterizada por compreender meios (34, 36; 78, .80) de regulação associados ao meio (28) de combustão para regularem a combustão dos resíduos sólidos no referido meio de combustão. Lisboa, 19 de Maio de 2008 3